Silikon fotonik aktiv element

Silikon fotonik aktiv element

Fotonika aktiv komponentləri xüsusilə işıq və maddə arasında qəsdən hazırlanmış dinamik qarşılıqlı təsirlərə istinad edir. Fotonikanın tipik aktiv komponenti optik modulyatordur. Bütün mövcud silikon əsaslıoptik modulyatorlarplazma pulsuz daşıyıcı effektinə əsaslanır. Dopinq, elektrik və ya optik üsullarla silikon materialdakı sərbəst elektronların və dəliklərin sayının dəyişdirilməsi onun mürəkkəb refraktiv indeksini dəyişdirə bilər, bu proses Soref və Bennetdən 1550 nanometr dalğa uzunluğunda məlumatların uyğunlaşdırılması ilə əldə edilən (1,2) tənliklərdə göstərilmişdir. . Elektronlarla müqayisədə, dəliklər real və xəyali qırılma indeksinin daha böyük bir hissəsinin dəyişməsinə səbəb olur, yəni müəyyən bir itki dəyişikliyi üçün daha böyük bir faza dəyişikliyi yarada bilər.Mach-Zehnder modulyatorlarıvə üzük modulyatorları, adətən etmək üçün deşiklərdən istifadə etməyə üstünlük verilirfaza modulyatorları.

Müxtəlifsilisium (Si) modulyatorunövləri Şəkil 10A-da göstərilmişdir. Daşıyıcı inyeksiya modulatorunda işıq çox geniş pin qovşağında daxili silisiumda yerləşir və elektronlar və dəliklər vurulur. Bununla belə, belə modulyatorlar daha yavaş işləyir, adətən 500 MHz bant genişliyi ilə, çünki sərbəst elektronların və deşiklərin enjeksiyondan sonra yenidən birləşməsinə daha çox vaxt lazımdır. Buna görə də, bu struktur çox vaxt modulyator deyil, dəyişən optik zəiflədici (VOA) kimi istifadə olunur. Daşıyıcının tükənməsi modulatorunda işıq hissəsi dar pn qovşağında yerləşir və pn qovşağının tükənmə eni tətbiq olunan elektrik sahəsi ilə dəyişdirilir. Bu modulyator 50Gb/s-dən çox sürətlə işləyə bilər, lakin yüksək fon daxiletmə itkisinə malikdir. Tipik vpil 2 V-sm-dir. Bir metal oksid yarımkeçirici (MOS) (əslində yarımkeçirici-oksid-yarımkeçirici) modulator pn qovşağında nazik oksid qatını ehtiva edir. O, bəzi daşıyıcıların yığılmasına, eləcə də daşıyıcının tükənməsinə imkan verir, təxminən 0,2 V-sm daha kiçik VπL-ə imkan verir, lakin daha yüksək optik itkilər və vahid uzunluğa görə daha yüksək tutumun dezavantajına malikdir. Bundan əlavə, SiGe (silikon Germanium ərintisi) zolağının kənar hərəkətinə əsaslanan SiGe elektrik udma modulatorları mövcuddur. Bundan əlavə, udma metalları və şəffaf izolyatorlar arasında keçid etmək üçün qrafenə əsaslanan qrafen modulyatorları var. Bunlar yüksək sürətli, aşağı itkili optik siqnal modulyasiyasına nail olmaq üçün müxtəlif mexanizmlərin tətbiqlərinin müxtəlifliyini nümayiş etdirir.

Şəkil 10: (A) Silikon əsaslı müxtəlif optik modulyator konstruksiyalarının en kəsiyi diaqramı və (B) optik detektor konstruksiyalarının en kəsiyi diaqramı.

Bir neçə silikon əsaslı işıq detektorları Şəkil 10B-də göstərilmişdir. Emici material germaniumdur (Ge). Ge təxminən 1,6 mikrona qədər dalğa uzunluğunda işığı udmaq qabiliyyətinə malikdir. Solda bu gün ən uğurlu pin quruluşu göstərilir. Ge-nin böyüdüyü P tipli qatqılı silikondan ibarətdir. Ge və Si 4% qəfəs uyğunsuzluğuna malikdir və dislokasiyanı minimuma endirmək üçün əvvəlcə nazik SiGe təbəqəsi tampon təbəqəsi kimi yetişdirilir. N-tipli dopinq Ge qatının yuxarı hissəsində aparılır. Ortada metal-yarımkeçirici-metal (MSM) fotodiod və APD (uçqun fotodetektoru) sağda göstərilir. APD-də uçqun bölgəsi III-V qrup elementar materialların uçqun bölgəsi ilə müqayisədə daha az səs-küy xüsusiyyətlərinə malik olan Si-də yerləşir.

Hal-hazırda, optik qazancın silikon fotonikası ilə inteqrasiyasında aşkar üstünlükləri olan həllər yoxdur. Şəkil 11 montaj səviyyəsinə görə təşkil edilmiş bir neçə mümkün variantları göstərir. Uzaq solda optik qazanc materialı kimi epitaksial olaraq yetişdirilmiş germaniumun (Ge), erbium qatqılı (Er) şüşə dalğa ötürücülərinin (məsələn, optik nasos tələb edən Al2O3) və epitaksial olaraq yetişdirilmiş qallium arsenidinin (GaAs) istifadəsini əhatə edən monolit inteqrasiyalar var. ) kvant nöqtələri. Növbəti sütun III-V qrup qazanma bölgəsində oksid və üzvi birləşməni əhatə edən vaflidən vafli montajdır. Növbəti sütun, III-V qrup çipinin silikon vaflinin boşluğuna daxil edilməsini və sonra dalğa qurğusunun strukturunun işlənməsini nəzərdə tutan çip-to-vafli montajıdır. Bu ilk üç sütun yanaşmasının üstünlüyü ondan ibarətdir ki, cihaz kəsilməzdən əvvəl vaflinin içərisində tam funksional sınaqdan keçirilə bilər. Ən sağdakı sütun çipdən çipə montajdır, o cümlədən silikon çiplərin III-V qrup çiplərinə birbaşa qoşulması, həmçinin linzalar və ızgara bağlayıcıları vasitəsilə birləşmə. Kommersiya tətbiqlərinə doğru meyl qrafikin sağından sol tərəfinə daha inteqrasiya olunmuş və inteqrasiya olunmuş həllərə doğru irəliləyir.

Şəkil 11: Optik qazanc silikon əsaslı fotonikaya necə inteqrasiya olunur. Soldan sağa hərəkət etdikcə, istehsal daxiletmə nöqtəsi prosesdə tədricən geriyə doğru hərəkət edir.