Սիլիկոնային ֆոտոնիկ ակտիվ տարր

Սիլիկոնային ֆոտոնիկ ակտիվ տարր

Ֆոտոնիկայի ակտիվ բաղադրիչները վերաբերում են լույսի և նյութի միջև միտումնավոր նախագծված դինամիկ փոխազդեցություններին: Ֆոտոնիկայի տիպիկ ակտիվ բաղադրիչը օպտիկական մոդուլյատորն է: Բոլոր ներկայիս սիլիցիումային հիմքովօպտիկական մոդուլյատորներհիմնված են պլազմայի ազատ կրիչի էֆեկտի վրա: Սիլիցիումային նյութում ազատ էլեկտրոնների և անցքերի քանակը փոխելը դոպինգի, էլեկտրական կամ օպտիկական մեթոդներով կարող է փոխել դրա բարդ բեկման ցուցիչը, մի գործընթաց, որը ցույց է տրված (1,2) հավասարումներում, որոնք ստացվել են Սորեֆի և Բեննետի տվյալները 1550 նանոմետր ալիքի երկարության վրա տեղավորելով: Էլեկտրոնների համեմատ, անցքերը առաջացնում են իրական և կեղծ բեկման ցուցիչների փոփոխությունների ավելի մեծ համամասնություն, այսինքն՝ դրանք կարող են առաջացնել ավելի մեծ փուլային փոփոխություն տվյալ կորստի փոփոխության համար, ուստիՄախ-Զենդերի մոդուլյատորներև օղակաձև մոդուլյատորների դեպքում սովորաբար նախընտրելի է օգտագործել անցքեր՝փուլային մոդուլյատորներ.

Տարբերսիլիցիումային (Si) մոդուլյատորՏեսակները ներկայացված են նկար 10A-ում: Կրողի ներարկման մոդուլյատորում լույսը գտնվում է ներքին սիլիցիումում՝ շատ լայն քորոցային միացման մեջ, և էլեկտրոններ ու անցքեր են ներարկվում: Այնուամենայնիվ, նման մոդուլյատորները ավելի դանդաղ են, սովորաբար ունեն 500 ՄՀց հաճախականության թողունակություն, քանի որ ներարկումից հետո ազատ էլեկտրոններն ու անցքերը վերամիավորվելու համար ավելի երկար ժամանակ են պահանջում: Հետևաբար, այս կառուցվածքը հաճախ օգտագործվում է որպես փոփոխական օպտիկական մարող (VOA), այլ ոչ թե որպես մոդուլյատոր: Կրողի սպառման մոդուլյատորում լույսի մասը գտնվում է նեղ pn միացման մեջ, և pn միացման սպառման լայնությունը փոխվում է կիրառվող էլեկտրական դաշտի կողմից: Այս մոդուլյատորը կարող է աշխատել 50 Գբ/վ-ից ավելի արագությամբ, բայց ունի բարձր ֆոնային ներդրման կորուստ: Տիպիկ vpil-ը 2 Վ-սմ է: Մետաղական օքսիդային կիսահաղորդչային (MOS) (իրականում՝ կիսահաղորդչային-օքսիդ-կիսահաղորդչային) մոդուլյատորը պարունակում է բարակ օքսիդային շերտ pn միացման մեջ: Այն թույլ է տալիս կրողների որոշակի կուտակում, ինչպես նաև կրողների սպառում, ինչը թույլ է տալիս մոտ 0.2 Վ-սմ ավելի փոքր VπL, բայց ունի ավելի բարձր օպտիկական կորուստների և մեկ միավոր երկարության ավելի բարձր տարողության թերություն: Բացի այդ, կան SiGe էլեկտրական կլանման մոդուլյատորներ, որոնք հիմնված են SiGe (սիլիցիում-գերմանիումի համաձուլվածք) ժապավենի եզրերի շարժման վրա: Բացի այդ, կան գրաֆենի մոդուլյատորներ, որոնք հիմնված են գրաֆենի վրա՝ կլանող մետաղների և թափանցիկ մեկուսիչների միջև անցնելու համար: Սրանք ցույց են տալիս տարբեր մեխանիզմների կիրառման բազմազանությունը՝ բարձր արագությամբ, ցածր կորուստներով օպտիկական ազդանշանի մոդուլյացիա ապահովելու համար:

Նկար 10. (A) Սիլիցիումային օպտիկական մոդուլյատորների տարբեր նախագծերի լայնական հատույթի դիագրամ և (B) օպտիկական դետեկտորների նախագծերի լայնական հատույթի դիագրամ։

Նկար 10Բ-ում ներկայացված են մի քանի սիլիցիումային լույսի դետեկտորներ: Կլանող նյութը գերմանիումն է (Ge): Ge-ն կարող է կլանել լույսը մինչև մոտ 1.6 միկրոն ալիքի երկարությամբ: Ձախ կողմում ցույց է տրված այսօրվա ամենահաջողակ քորոցային կառուցվածքը: Այն կազմված է P-տիպի լեգիրված սիլիցիումից, որի վրա աճում է Ge-ն: Ge-ն և Si-ն ունեն 4% ցանցային անհամապատասխանություն, և դիսլոկացիան նվազագույնի հասցնելու համար նախ աճեցվում է SiGe-ի բարակ շերտ՝ որպես բուֆերային շերտ: N-տիպի լեգիրումը կատարվում է Ge շերտի վերևում: Մեջտեղում ցույց է տրված մետաղ-կիսահաղորդիչ-մետաղ (MSM) ֆոտոդիոդ, իսկ APD (ձնահոսքի ֆոտոդետեկտոր) պատկերված է աջ կողմում։ APD-ում ձնահոսքի շրջանը գտնվում է Si-ում, որն ունի ավելի ցածր աղմուկի բնութագրեր՝ համեմատած III-V խմբի տարրական նյութերի ձնահոսքի շրջանի հետ։

Ներկայումս չկան լուծումներ, որոնք ակնհայտ առավելություններ ունեն սիլիցիումային ֆոտոնիկայի հետ օպտիկական ուժեղացման ինտեգրման մեջ: Նկար 11-ը ցույց է տալիս մի քանի հնարավոր տարբերակներ, որոնք կազմակերպված են հավաքման մակարդակի համաձայն: Ամենաձախ կողմում մոնոլիտ ինտեգրացիաներն են, որոնք ներառում են էպիտաքսիալ աճեցված գերմանիումի (Ge) օգտագործումը որպես օպտիկական ուժեղացման նյութ, էրբիումով լեգիրված (Er) ապակե ալիքատարներ (օրինակ՝ Al2O3, որը պահանջում է օպտիկական պոմպ) և էպիտաքսիալ աճեցված գալիումի արսենիդի (GaAs) քվանտային կետեր: Հաջորդ սյունը վաֆլիից վաֆլի հավաքումն է, որը ներառում է օքսիդային և օրգանական կապ III-V խմբային ուժեղացման շրջանում: Հաջորդ սյունը չիպից վաֆլի հավաքումն է, որը ներառում է III-V խմբային չիպի ներդրումը սիլիցիումային վաֆլիի խոռոչում, ապա ալիքատարի կառուցվածքի մշակումը: Այս առաջին երեք սյուների մոտեցման առավելությունն այն է, որ սարքը կարող է լիովին ֆունկցիոնալորեն փորձարկվել վաֆլիի ներսում՝ կտրելուց առաջ: Աջ սյունը չիպից չիպ հավաքումն է, որը ներառում է սիլիցիումային չիպսերի ուղղակի միացումը III-V խմբային չիպսերին, ինչպես նաև միացումը ոսպնյակի և ցանցային միացնողների միջոցով: Առևտրային կիրառությունների միտումը գրաֆիկի աջից ձախ է տեղափոխվում՝ դեպի ավելի ու ավելի ինտեգրված լուծումներ։

Նկար 11. Ինչպես է օպտիկական ուժեղացումը ինտեգրվում սիլիցիումի վրա հիմնված ֆոտոնիկայում: Ձախից աջ շարժվելիս արտադրության ներդրման կետը աստիճանաբար հետ է շարժվում գործընթացում: