Silikon fotonika aktiv elementi
Fotonika aktiv komponentləri, xüsusilə işıq və maddə arasında qəsdən hazırlanmış dinamik qarşılıqlı təsirlərə aiddir. Fotonikanın tipik aktiv komponenti optik modulyatordur. Bütün mövcud silikon əsaslıoptik modulyatorlarplazma sərbəst daşıyıcı effektinə əsaslanır. Silisium materialındakı sərbəst elektronların və dəliklərin sayının aşqarlama, elektrik və ya optik üsullarla dəyişdirilməsi onun mürəkkəb qırılma göstəricisini dəyişə bilər ki, bu da Soref və Bennett-dən 1550 nanometr dalğa uzunluğunda məlumatların uyğunlaşdırılması ilə əldə edilən (1,2) tənliklərdə göstərilən prosesdir. Elektronlarla müqayisədə dəliklər real və xəyali qırılma göstəricisi dəyişikliklərinin daha böyük bir hissəsinə səbəb olur, yəni onlar müəyyən bir itki dəyişikliyi üçün daha böyük bir faza dəyişikliyi yarada bilərlər, buna görə dəMach-Zehnder modulyatorlarıvə halqa modulyatorlarında, adətən, deşiklərdən istifadə etmək üstünlük təşkil edirfaz modulyatorları.
Müxtəlifsilikon (Si) modulyatorunövləri Şəkil 10A-da göstərilmişdir. Daşıyıcı inyeksiya modulyatorunda işıq çox geniş bir pin qovşağında daxili silikonda yerləşir və elektronlar və deşiklər inyeksiya edilir. Lakin, bu cür modulyatorlar daha yavaşdır, adətən 500 MHz bant genişliyinə malikdir, çünki sərbəst elektronlar və deşiklər inyeksiyadan sonra rekombinasiya etmək üçün daha uzun vaxt tələb edir. Buna görə də, bu struktur tez-tez modulyator əvəzinə dəyişkən optik attenuator (VOA) kimi istifadə olunur. Daşıyıcı tükənmə modulyatorunda işıq hissəsi dar pn qovşağında yerləşir və pn qovşağının tükənmə eni tətbiq olunan elektrik sahəsi tərəfindən dəyişdirilir. Bu modulyator 50Gb/s-dən çox sürətlə işləyə bilər, lakin yüksək fon daxiletmə itkisinə malikdir. Tipik vpil 2 V-sm-dir. Metal oksid yarımkeçirici (MOS) (əslində yarımkeçirici-oksid-yarımkeçirici) modulyatoru pn qovşağında nazik oksid təbəqəsi ehtiva edir. Bu, daşıyıcının müəyyən qədər yığılmasına, eləcə də daşıyıcının tükənməsinə imkan verir və təxminən 0,2 V-sm-1 daha kiçik VπL-ə imkan verir, lakin daha yüksək optik itkilər və vahid uzunluq başına daha yüksək tutum kimi mənfi cəhətlərə malikdir. Bundan əlavə, SiGe (silisium Germanium ərintisi) zolaq kənarının hərəkətinə əsaslanan SiGe elektrik udma modulyatorları mövcuddur. Bundan əlavə, udma metalları və şəffaf izolyatorlar arasında keçid etmək üçün qrafenə əsaslanan qrafen modulyatorları mövcuddur. Bunlar yüksək sürətli, aşağı itkili optik siqnal modulyasiyasına nail olmaq üçün müxtəlif mexanizmlərin tətbiqlərinin müxtəlifliyini nümayiş etdirir.
Şəkil 10: (A) Müxtəlif silikon əsaslı optik modulyator dizaynlarının en kəsiyi diaqramı və (B) optik detektor dizaynlarının en kəsiyi diaqramı.
Şəkil 10B-də bir neçə silikon əsaslı işıq detektoru göstərilmişdir. Uducu material germaniumdur (Ge). Ge təxminən 1,6 mikrona qədər dalğa uzunluqlarında işığı udmağa qadirdir. Solda göstərilən, bu gün ən kommersiya baxımından uğurlu pin quruluşudur. O, üzərində Ge-nin böyüdüyü P-tipli aşqarlanmış silikondan ibarətdir. Ge və Si 4% qəfəs uyğunsuzluğuna malikdir və dislokasiyanı minimuma endirmək üçün əvvəlcə bufer təbəqəsi kimi nazik bir SiGe təbəqəsi yetişdirilir. Ge təbəqəsinin üstündə N-tipli aşqarlama aparılır. Ortada metal-yarımkeçirici-metal (MSM) fotodiodu və APD (Uçqun Fotodetektoru) sağda göstərilib. APD-dəki uçqun bölgəsi Si-də yerləşir və III-V Qrup element materiallarındakı uçqun bölgəsi ilə müqayisədə daha aşağı səs-küy xüsusiyyətlərinə malikdir.
Hazırda optik gücləndirməni silikon fotonika ilə inteqrasiya etməkdə aşkar üstünlüklərə malik heç bir həll yolu yoxdur. Şəkil 11 montaj səviyyəsinə görə təşkil edilmiş bir neçə mümkün variantı göstərir. Ən solda optik gücləndirmə materialı kimi epitaksial olaraq yetişdirilmiş germaniumun (Ge) istifadəsini, erbiumla zənginləşdirilmiş (Er) şüşə dalğa bələdçilərini (məsələn, optik nasos tələb edən Al2O3) və epitaksial olaraq yetişdirilmiş qallium arsenid (GaAs) kvant nöqtələrini əhatə edən monolit inteqrasiyalar var. Növbəti sütun, III-V qrup gücləndirmə bölgəsində oksid və üzvi əlaqəni əhatə edən lövhədən lövhəyə yığılmasıdır. Növbəti sütun, III-V qrup çipinin silikon lövhənin boşluğuna yerləşdirilməsi və sonra dalğa bələdçi strukturunun emalını əhatə edən çipdən lövhəyə yığılmasıdır. Bu ilk üç sütun yanaşmasının üstünlüyü, cihazın kəsilməzdən əvvəl lövhənin içərisində tam funksional sınaqdan keçirilə bilməsidir. Ən sağdakı sütun, silikon çiplərin III-V qrup çiplərinə birbaşa qoşulması, eləcə də linza və barmaqlıq muftaları vasitəsilə qoşulması da daxil olmaqla, çipdən lövhəyə yığılmasıdır. Kommersiya tətbiqlərinə doğru meyl qrafikin sağ tərəfindən sol tərəfinə daha inteqrasiya olunmuş və inteqrasiya olunmuş həllərə doğru irəliləyir.
Şəkil 11: Optik gücləndirmə silikon əsaslı fotonikalara necə inteqrasiya olunur. Soldan sağa hərəkət etdikcə, istehsal daxiletmə nöqtəsi tədricən prosesdə geri qayıdır.
Yazı vaxtı: 22 iyul 2024