Ränist fotooniline aktiivne element

Ränist fotooniline aktiivne element

Fotoonilised aktiivsed komponendid viitavad konkreetselt tahtlikult kavandatud dünaamilisele vastasmõjule valguse ja aine vahel. Fotoonika tüüpiline aktiivne komponent on optiline modulaator. Kõik praegused ränipõhisedoptilised modulaatoridpõhinevad plasma vabal kandjaefektil. Vabade elektronide ja aukude arvu muutmine räni materjalis dopingu, elektriliste või optiliste meetodite abil võib muuta selle keerulist murdumisnäitajat – protsess on näidatud võrrandites (1,2), mis saadakse Sorefi ja Bennetti andmete sobitamisest lainepikkusel 1550 nanomeetrit. . Võrreldes elektronidega põhjustavad augud suurema osa tegelikest ja kujuteldavatest murdumisnäitajate muutustest, see tähendab, et nad võivad tekitada suurema faasimuutuse antud kaomuutuse korral, nii etMach-Zehnder modulaatoridja rõngasmodulaatorid, eelistatakse tavaliselt aukude tegemiseks kasutadafaasimodulaatorid.

Erinevadräni (Si) modulaatortüübid on näidatud joonisel 10A. Kandja süstimismodulaatoris paikneb valgus sisemises ränis väga laias tihvtiühenduses ning elektronid ja augud süstitakse. Sellised modulaatorid on aga aeglasemad, tavaliselt 500 MHz ribalaiusega, kuna vabade elektronide ja aukude taasühendamine võtab pärast süstimist kauem aega. Seetõttu kasutatakse seda struktuuri sageli pigem muutuva optilise summutajana (VOA), mitte modulaatorina. Kandja ammendumise modulaatoris asub valgusosa kitsas pn-siirdes ja pn-siirde ammendumise laiust muudab rakendatud elektriväli. See modulaator võib töötada kiirusega üle 50 Gb/s, kuid sellel on suur taustal sisestuskadu. Tüüpiline vpil on 2 V-cm. Metalloksiidi pooljuht (MOS) (tegelikult pooljuht-oksiid-pooljuht) modulaator sisaldab pn-siirdes õhukest oksiidikihti. See võimaldab kandja mõningast akumuleerumist ja ka kandja ammendumist, võimaldades väiksemat VπL-i umbes 0,2 V-cm, kuid selle puuduseks on suuremad optilised kaod ja suurem mahtuvus pikkuseühiku kohta. Lisaks on SiGe elektrilise neeldumise modulaatorid, mis põhinevad SiGe (räni-germaaniumisulamist) riba serva liikumisel. Lisaks on olemas grafeenimodulaatorid, mis kasutavad neelavate metallide ja läbipaistvate isolaatorite vahel lülitumiseks grafeeni. Need näitavad erinevate mehhanismide rakenduste mitmekesisust, et saavutada kiire ja madala kaoga optilise signaali modulatsioon.

Joonis 10: (A) erinevate ränipõhiste optiliste modulaatorite konstruktsioonide ristlõike diagramm ja (B) optiliste detektorite konstruktsioonide ristlõike diagramm.

Joonisel 10B on näidatud mitu ränipõhist valgusdetektorit. Imav materjal on germaanium (Ge). Ge on võimeline neelama valgust lainepikkustel kuni umbes 1,6 mikronit. Vasakul on kujutatud tänapäeva äriliselt kõige edukam tihvti struktuur. See koosneb P-tüüpi legeeritud ränist, millel kasvab Ge. Ge ja Si võre ebakõla on 4% ning dislokatsiooni minimeerimiseks kasvatatakse esmalt õhuke SiGe kiht puhverkihina. N-tüüpi doping viiakse läbi Ge kihi peal. Keskel on kujutatud metall-pooljuht-metall (MSM) fotodiood ja APD (laviini fotodetektor) on näidatud paremal. APD laviinipiirkond asub Si-s, millel on madalamad müraomadused võrreldes III-V rühma elementmaterjalide laviinipiirkonnaga.

Praegu ei ole silikoonfotoonikaga optilise võimenduse integreerimiseks ilmsete eelistega lahendusi. Joonis 11 näitab mitmeid võimalikke valikuid, mis on korraldatud koostetasemete kaupa. Vasakul on monoliitsed integratsioonid, mis hõlmavad epitaksiaalselt kasvatatud germaaniumi (Ge) kasutamist optilise võimendusmaterjalina, erbiumiga legeeritud (Er) klaasist lainejuhte (nt Al2O3, mis nõuab optilist pumpamist) ja epitaksiaalselt kasvatatud galliumarseniidi (GaAs) ) kvantpunktid. Järgmine veerg on vahvli ja vahvli kokkupanek, mis hõlmab oksiidi ja orgaanilist sidet III-V rühma võimenduspiirkonnas. Järgmine veerg on kiip-vahvli kokkupanek, mis hõlmab III-V rühma kiibi manustamist räniplaadi õõnsusse ja seejärel lainejuhi struktuuri töötlemist. Selle esimese kolme veeru lähenemisviisi eeliseks on see, et seadet saab enne lõikamist vahvli sees täielikult funktsioneerida. Kõige parempoolsem veerg on kiip-kiibi kokkupanek, mis hõlmab ränikiipide otseühendust III-V rühma kiipidega, aga ka ühendamist läätsede ja võreühenduste kaudu. Trend kommertsrakenduste poole liigub diagrammi paremalt vasakule poole rohkem integreeritud ja integreeritud lahenduste poole.

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