Ränifotoonika aktiivne element

Ränifotoonika aktiivne element

Fotoonika aktiivsed komponendid viitavad konkreetselt tahtlikult kavandatud dünaamilistele interaktsioonidele valguse ja aine vahel. Tüüpiline fotoonika aktiivne komponent on optiline modulaator. Kõik praegused ränipõhisedoptilised modulaatoridpõhinevad plasma vaba laengukandja efektil. Vabade elektronide ja aukude arvu muutmine ränimaterjalis dopeerimise, elektriliste või optiliste meetoditega võib muuta selle kompleksset murdumisnäitajat, protsessi, mida näitavad võrrandid (1,2), mis saadi Sorefi ja Bennetti andmete sobitamise teel lainepikkusel 1550 nanomeetrit. Võrreldes elektronidega põhjustavad augud suurema osa reaalsetest ja kujuteldavatest murdumisnäitaja muutustest, st nad võivad antud kadude muutuse korral tekitada suurema faasimuutuse, seegaMach-Zehnderi modulaatoridja rõngasmodulaatorite puhul eelistatakse tavaliselt aukude kasutamistfaasimodulaatorid.

Erinevadräni (Si) modulaatorTüüpe on näidatud joonisel 10A. Laengukandja süstimise modulaatoris paikneb valgus sisemises ränis väga laias tihvtisiirdes ning süstitakse elektrone ja auke. Sellised modulaatorid on aga aeglasemad, tavaliselt ribalaiusega 500 MHz, kuna vabade elektronide ja aukude rekombineerumine pärast süstimist võtab kauem aega. Seetõttu kasutatakse seda struktuuri sageli pigem muudetava optilise atenuaatorina (VOA) kui modulaatorina. Laengukandja ammendumise modulaatoris paikneb valgusosa kitsas pn-siirdes ja pn-siirde ammendumise laiust muudetakse rakendatava elektrivälja abil. See modulaator võib töötada kiirustel üle 50 Gb/s, kuid sellel on suur tausta sisestamise kadu. Tüüpiline vpil on 2 V-cm. Metalloksiidpooljuhtmodulaator (MOS) (tegelikult pooljuht-oksiid-pooljuht) sisaldab pn-siirdes õhukest oksiidikihti. See võimaldab teatud määral laengukandjate akumuleerumist ja laengukandjate ammendumist, mis annab väiksema VπL-i umbes 0,2 V-cm, kuid selle puuduseks on suuremad optilised kaod ja suurem mahtuvus pikkuseühiku kohta. Lisaks on olemas SiGe elektrilise neeldumise modulaatorid, mis põhinevad SiGe (räni-germaaniumisulam) riba serva liikumisel. Lisaks on olemas grafeeni modulaatorid, mis tuginevad grafeenile neelavate metallide ja läbipaistvate isolaatorite vahel vahetamiseks. Need demonstreerivad erinevate mehhanismide rakenduste mitmekesisust kiire ja väikese kadudega optilise signaali modulatsiooni saavutamiseks.

Joonis 10: (A) Erinevate ränipõhiste optiliste modulaatorite konstruktsioonide ristlõige ja (B) optiliste detektorite konstruktsioonide ristlõige.

Joonisel 10B on kujutatud mitut ränipõhist valgusdetektorit. Neelav materjal on germaanium (Ge). Ge suudab neelata valgust lainepikkustel kuni umbes 1,6 mikronit. Vasakul on näidatud tänapäeval kaubanduslikult kõige edukam tihvtstruktuur. See koosneb P-tüüpi legeeritud ränist, millele Ge kasvab. Ge ja Si võre erinevus on 4% ning dislokatsiooni minimeerimiseks kasvatatakse esmalt puhverkihina õhuke SiGe kiht. Ge kihi peale tehakse N-tüüpi legeerimine. Keskel on näidatud metall-pooljuht-metall (MSM) fotodiood ja APD (laviini fotodetektor) on näidatud paremal. APD laviinipiirkond asub räni sees, millel on III-V rühma elementaarmaterjalide laviinipiirkonnaga võrreldes madalamad müraomadused.

Praegu puuduvad lahendused, millel oleks ilmsed eelised optilise võimenduse integreerimisel ränifotoonikaga. Joonis 11 näitab mitmeid võimalikke variante, mis on jaotatud montaažitasandi järgi. Vasakpoolses ääres on monoliitsed integratsioonid, mis hõlmavad epitaksiaalselt kasvatatud germaaniumi (Ge) kasutamist optilise võimendusmaterjalina, erbiumiga legeeritud (Er) klaasist lainejuhte (näiteks Al2O3, mis vajavad optilist pumpamist) ja epitaksiaalselt kasvatatud galliumarseniidi (GaAs) kvantpunkte. Järgmine sammas on kiibilt kiibile kokkupanek, mis hõlmab oksiidi ja orgaanilist sidet III-V rühma võimenduspiirkonnas. Järgmine sammas on kiibilt kiibile kokkupanek, mis hõlmab III-V rühma kiibi sisestamist ränikiibi õõnsusse ja seejärel lainejuhi struktuuri töötlemist. Selle esimese kolme samba lähenemisviisi eeliseks on see, et seadet saab enne lõikamist kiibi sees täielikult funktsionaalselt testida. Kõige parempoolsem sammas on kiibilt kiibile kokkupanek, mis hõlmab ränikiipide otsest ühendamist III-V rühma kiipidega, samuti ühendamist läätsede ja võrede abil. Kommertsrakenduste trend liigub graafiku paremalt vasakule, integreeritumate ja integreeritumate lahenduste suunas.

Joonis 11: Kuidas optiline võimendus on integreeritud ränipõhisesse fotoonikasse. Vasakult paremale liikudes liigub tootmise sisestuspunkt protsessis järk-järgult tagasi.