Siliziumphotonik-aktives Element
Aktive photonische Bauelemente bezeichnen gezielt gestaltete dynamische Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Ein typisches aktives photonisches Bauelement ist ein optischer Modulator. Alle derzeitigen siliziumbasierten Bauelementeoptische Modulatorenbasieren auf dem Plasma-Freiträgereffekt. Die Änderung der Anzahl freier Elektronen und Löcher in einem Siliziummaterial durch Dotierung, elektrische oder optische Verfahren kann dessen komplexen Brechungsindex verändern. Dieser Prozess wird in den Gleichungen (1, 2) dargestellt, die durch Anpassung von Daten von Soref und Bennett bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern gewonnen wurden. Im Vergleich zu Elektronen verursachen Löcher einen größeren Anteil der Änderungen des Real- und Imaginärteils des Brechungsindex, d. h., sie können bei einer gegebenen Verluständerung eine größere Phasenänderung hervorrufen.Mach-Zehnder-ModulatorenBei Ringmodulatoren werden üblicherweise Löcher verwendet, umPhasenmodulatoren.
Die verschiedenenSilizium (Si) ModulatorDie verschiedenen Typen sind in Abbildung 10A dargestellt. Bei einem Ladungsträgerinjektionsmodulator befindet sich das Licht in intrinsischem Silizium innerhalb eines sehr breiten pn-Übergangs, und Elektronen und Löcher werden injiziert. Solche Modulatoren sind jedoch langsamer und weisen typischerweise eine Bandbreite von 500 MHz auf, da die Rekombination freier Elektronen und Löcher nach der Injektion länger dauert. Daher wird diese Struktur häufiger als variabler optischer Dämpfungsregler (VOA) denn als Modulator eingesetzt. Bei einem Ladungsträgerverarmungsmodulator befindet sich der Lichtanteil in einem schmalen pn-Übergang, dessen Verarmungszone durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert wird. Dieser Modulator kann mit Geschwindigkeiten von über 50 Gbit/s arbeiten, weist jedoch eine hohe Einfügungsdämpfung auf. Die typische Feldstärke vpil beträgt 2 V·cm. Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Modulator (MOS-Modulator, genauer: Halbleiter-Oxid-Halbleiter-Modulator) enthält eine dünne Oxidschicht in einem pn-Übergang. Es ermöglicht sowohl Ladungsträgeranreicherung als auch -verarmung und damit eine kleinere Spannung VπL von etwa 0,2 V·cm, hat aber den Nachteil höherer optischer Verluste und einer höheren Kapazität pro Längeneinheit. Darüber hinaus existieren SiGe-Absorptionsmodulatoren, die auf der Bandkantenverschiebung von SiGe (Silizium-Germanium-Legierung) basieren. Weiterhin gibt es Graphenmodulatoren, die Graphen nutzen, um zwischen absorbierenden Metallen und transparenten Isolatoren umzuschalten. Diese Beispiele verdeutlichen die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Mechanismen zur Erzielung einer schnellen und verlustarmen optischen Signalmodulation.
Abbildung 10: (A) Querschnittsdiagramm verschiedener optischer Modulatordesigns auf Siliziumbasis und (B) Querschnittsdiagramm von optischen Detektordesigns.
In Abbildung 10B sind mehrere auf Silizium basierende Lichtdetektoren dargestellt. Das Absorptionsmaterial ist Germanium (Ge). Ge kann Licht bis zu Wellenlängen von etwa 1,6 Mikrometern absorbieren. Links ist die derzeit kommerziell erfolgreichste PIN-Struktur abgebildet. Sie besteht aus p-dotiertem Silizium, auf dem Ge aufgewachsen ist. Ge und Si weisen eine Gitterfehlanpassung von 4 % auf. Um die Versetzungen zu minimieren, wird zunächst eine dünne SiGe-Schicht als Pufferschicht aufgebracht. Anschließend erfolgt die N-Dotierung der Ge-Schicht. In der Mitte ist eine Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Photodiode und eine APD (Lawinen-Fotodetektor) ist rechts dargestellt. Die Lawinenregion in APD befindet sich in Si, das im Vergleich zur Lawinenregion in III-V-Elementmaterialien geringere Rauscheigenschaften aufweist.
Derzeit gibt es keine Lösungen mit eindeutigen Vorteilen für die Integration optischer Verstärkung in die Siliziumphotonik. Abbildung 11 zeigt verschiedene Möglichkeiten, geordnet nach Montageebene. Ganz links sind monolithische Integrationen dargestellt, die epitaktisch gewachsenes Germanium (Ge) als optisches Verstärkungsmaterial, Erbium-dotierte (Er) Glaswellenleiter (wie z. B. Al₂O₃, das optisches Pumpen erfordert) und epitaktisch gewachsene Galliumarsenid (GaAs)-Quantenpunkte nutzen. Die nächste Spalte beschreibt die Wafer-zu-Wafer-Montage mit Oxid- und organischen Verbindungen im III-V-Verstärkungsbereich. Die darauffolgende Spalte zeigt die Chip-zu-Wafer-Montage, bei der der III-V-Chip in den Hohlraum des Siliziumwafers eingebettet und anschließend die Wellenleiterstruktur bearbeitet wird. Der Vorteil dieses Ansatzes der ersten drei Spalten besteht darin, dass das Bauelement vor dem Schneiden im Wafer vollständig funktionsfähig getestet werden kann. Die Spalte ganz rechts zeigt die Chip-zu-Chip-Montage, einschließlich der direkten Kopplung von Siliziumchips an III-V-Chips sowie der Kopplung über Linsen- und Gitterkoppler. Der Trend hin zu kommerziellen Anwendungen verschiebt sich von der rechten zur linken Seite des Diagramms hin zu stärker integrierten Lösungen.
Abbildung 11: Wie die optische Verstärkung in siliziumbasierte Photonik integriert wird. Von links nach rechts verschiebt sich der Fertigungseinfügepunkt im Prozess schrittweise nach hinten.
Veröffentlichungsdatum: 22. Juli 2024