Սիլիցիումի ֆոտոնիկայի ակտիվ տարր

Սիլիցիումի ֆոտոնիկայի ակտիվ տարր

Ֆոտոնիկայի ակտիվ բաղադրիչները վերաբերում են հատկապես լույսի և նյութի միջև միտումնավոր նախագծված դինամիկ փոխազդեցություններին: Ֆոտոնիկայի բնորոշ ակտիվ բաղադրիչը օպտիկական մոդուլյատորն է: Բոլոր ընթացիկ սիլիկոնային հիմքովօպտիկական մոդուլյատորներհիմնված են պլազմայից ազատ կրիչի ազդեցության վրա: Սիլիկոնային նյութում ազատ էլեկտրոնների և անցքերի քանակի փոփոխությունը դոպինգով, էլեկտրական կամ օպտիկական մեթոդներով կարող է փոխել դրա բարդ բեկման ինդեքսը, որը ցույց է տրված (1,2) հավասարումներում, որոնք ստացվել են Սորեֆի և Բենեթի տվյալների տեղադրմամբ 1550 նանոմետր ալիքի երկարությամբ: . Էլեկտրոնների համեմատ, անցքերը առաջացնում են ռեֆրակցիոն ինդեքսների իրական և երևակայական փոփոխությունների ավելի մեծ մասնաբաժին, այսինքն՝ դրանք կարող են առաջացնել ավելի մեծ փուլային փոփոխություն տվյալ կորստի փոփոխության համար, ուստի.Mach-Zehnder մոդուլատորներև օղակաձև մոդուլյատորներ, սովորաբար նախընտրելի է օգտագործել անցքեր պատրաստելու համարփուլային մոդուլատորներ.

Տարբերսիլիցիումի (Si) մոդուլատորտեսակները ներկայացված են Նկար 10Ա-ում: Կրիչի ներարկման մոդուլյատորում լույսը գտնվում է ներքին սիլիցիումում՝ շատ լայն քորոցային հանգույցում, և էլեկտրոններն ու անցքերը ներարկվում են: Այնուամենայնիվ, նման մոդուլյատորներն ավելի դանդաղ են աշխատում, սովորաբար 500 ՄՀց թողունակությամբ, քանի որ ներարկումից հետո ազատ էլեկտրոնները և անցքերը վերամիավորվելու համար ավելի երկար են տևում: Հետևաբար, այս կառուցվածքը հաճախ օգտագործվում է որպես փոփոխական օպտիկական թուլացնող (VOA), այլ ոչ թե մոդուլյատոր: Կրիչի նվազման մոդուլյատորում լույսի հատվածը գտնվում է նեղ pn հանգույցում, իսկ pn հանգույցի քայքայման լայնությունը փոխվում է կիրառական էլեկտրական դաշտի միջոցով: Այս մոդուլյատորը կարող է գործել 50 Գբ/վ-ից ավելի արագությամբ, բայց ունի ֆոնային տեղադրման մեծ կորուստ: Տիպիկ vpil-ը 2 V-սմ է: Մետաղական օքսիդի կիսահաղորդիչ (MOS) (իրականում կիսահաղորդիչ-օքսիդ-կիսահաղորդիչ) մոդուլյատորը պարունակում է բարակ օքսիդ շերտ pn հանգույցում: Այն թույլ է տալիս որոշակի կրիչի կուտակում, ինչպես նաև կրիչի սպառում, ինչը թույլ է տալիս ավելի փոքր VπL մոտ 0,2 V-սմ, բայց ունի ավելի մեծ օպտիկական կորուստներ և ավելի մեծ հզորություն մեկ միավորի երկարության համար: Բացի այդ, կան SiGe էլեկտրական կլանման մոդուլատորներ, որոնք հիմնված են SiGe (սիլիցիումի գերմանական խառնուրդ) ժապավենի եզրային շարժման վրա: Բացի այդ, կան գրաֆենի մոդուլատորներ, որոնք հենվում են գրաֆենի վրա՝ ներծծող մետաղների և թափանցիկ մեկուսիչների միջև անցնելու համար: Սրանք ցույց են տալիս տարբեր մեխանիզմների կիրառությունների բազմազանությունը՝ հասնելու բարձր արագության, ցածր կորստի օպտիկական ազդանշանի մոդուլյացիայի:

Նկար 10. (A) Սիլիցիումի վրա հիմնված օպտիկական մոդուլյատորների տարբեր նախագծման խաչաձեւ սխեման և (B) օպտիկական դետեկտորների նախագծման խաչմերուկի դիագրամ:

Սիլիցիումի վրա հիմնված լույսի մի քանի դետեկտորներ ներկայացված են Նկար 10B-ում: Ներծծող նյութը գերմանիումն է (Ge): Ge-ն ունակ է կլանել լույսը մինչև 1,6 մկմ ալիքի երկարությամբ: Ձախ կողմում ցուցադրված է այսօր առևտրային առումով ամենահաջողված փին կառուցվածքը: Այն կազմված է P տիպի սիլիցիումից, որի վրա աճում է Ge-ն։ Ge-ն ու Si-ն ունեն 4% վանդակաճաղերի անհամապատասխանություն, և տեղահանումը նվազագույնի հասցնելու համար SiGe-ի բարակ շերտը սկզբում աճեցվում է որպես բուֆերային շերտ: Գե շերտի վերին մասում կատարվում է N տիպի դոպինգ: Մետաղա-կիսահաղորդիչ-մետաղ (MSM) ֆոտոդիոդը ցուցադրվում է մեջտեղում, իսկ APD (ավալանշ ֆոտոդետեկտոր) ցուցադրված է աջ կողմում: Ձնահոսքի շրջանը APD-ում գտնվում է Si-ում, որն ունի ավելի ցածր աղմուկի բնութագրեր III-V խմբի տարրական նյութերի ավալանշի շրջանի համեմատ:

Ներկայումս սիլիցիումի ֆոտոնիկայի հետ օպտիկական շահույթը ինտեգրելու ակնհայտ առավելություններով լուծումներ չկան: Նկար 11-ը ցույց է տալիս մի քանի հնարավոր տարբերակներ՝ կազմակերպված ըստ հավաքման մակարդակի: Հեռավոր ձախ կողմում մոնոլիտ ինտեգրացիաներ են, որոնք ներառում են էպիտաքսիալ աճեցված գերմանիումի (Ge) օգտագործումը որպես օպտիկական շահույթի նյութ, էրբիումով ներծծված (Er) ապակյա ալիքատարներ (օրինակ՝ Al2O3, որը պահանջում է օպտիկական մղում) և էպիտաքսիալ աճեցված գալիումի արսենիդ (GaAs): ) քվանտային կետեր. Հաջորդ սյունակը վաֆլիից վաֆլի հավաքումն է, որը ներառում է օքսիդ և օրգանական կապ III-V խմբի շահույթի շրջանում: Հաջորդ սյունակը չիպից վաֆլի հավաքումն է, որը ներառում է III-V խմբի չիպի տեղադրումը սիլիկոնային վաֆլի խոռոչի մեջ և այնուհետև ալիքատարի կառուցվածքի մշակումը: Այս առաջին երեք սյունակային մոտեցման առավելությունն այն է, որ սարքը կարող է լիովին ֆունկցիոնալ փորձարկվել վաֆլի ներսում՝ նախքան կտրելը: Ամենաաջ սյունակը չիպից չիպ հավաքումն է, ներառյալ սիլիցիումի չիպերի ուղղակի միացումը III-V խմբի չիպերին, ինչպես նաև ոսպնյակների և ցանցի կցորդիչների միջոցով: Առևտրային հավելվածների միտումը գծապատկերի աջից դեպի ձախ կողմ է շարժվում դեպի ավելի ինտեգրված և ինտեգրված լուծումներ:

Նկար 11. Ինչպես է օպտիկական շահույթը ինտեգրվում սիլիցիումի վրա հիմնված ֆոտոնիկայի մեջ: Ձախից աջ շարժվելիս արտադրական ներդիրի կետն աստիճանաբար հետ է շարժվում գործընթացում: