Silizium-Photonik-aktives Element

Silizium-Photonik-aktives Element

Photonische aktive Komponenten beziehen sich speziell auf gezielt gestaltete dynamische Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Eine typische aktive Komponente der Photonik ist ein optischer Modulator. Alle aktuellen Silizium-basiertenoptische Modulatorenbasieren auf dem Plasma-Freiträgereffekt. Die Änderung der Anzahl freier Elektronen und Löcher in einem Siliziummaterial durch Dotierung, elektrische oder optische Methoden kann dessen komplexen Brechungsindex verändern. Dieser Prozess ist in den Gleichungen (1,2) dargestellt und wurde durch die Anpassung von Daten von Soref und Bennett bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern erhalten. Im Vergleich zu Elektronen verursachen Löcher einen größeren Anteil der realen und imaginären Brechungsindexänderungen, d. h. sie können bei gegebener Verluständerung eine größere Phasenänderung erzeugen, sodassMach-Zehnder-Modulatorenund Ringmodulatoren, ist es in der Regel bevorzugt, Löcher zu verwenden, umPhasenmodulatoren.

Die verschiedenenSilizium (Si)-ModulatorTypen sind in Abbildung 10A dargestellt. In einem Trägerinjektionsmodulator befindet sich Licht in intrinsischem Silizium innerhalb eines sehr breiten pin-Übergangs, und Elektronen und Löcher werden injiziert. Solche Modulatoren sind jedoch langsamer, typischerweise mit einer Bandbreite von 500 MHz, weil freie Elektronen und Löcher nach der Injektion länger brauchen, um zu rekombinieren. Deshalb wird diese Struktur häufig als variabler optischer Dämpfer (VOA) und nicht als Modulator verwendet. In einem Trägerverarmungsmodulator befindet sich der Lichtanteil in einem schmalen pn-Übergang, und die Verarmungsbreite des pn-Übergangs wird durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert. Dieser Modulator kann mit Geschwindigkeiten von über 50 Gbit/s betrieben werden, hat aber einen hohen Hintergrundeinfügungsverlust. Der typische vpil beträgt 2 V-cm. Ein Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Modulator (eigentlich Halbleiter-Oxid-Halbleiter) enthält eine dünne Oxidschicht in einem pn-Übergang. Es ermöglicht eine gewisse Trägerakkumulation sowie Trägerverarmung, wodurch ein niedrigerer VπL von etwa 0,2 V-cm möglich wird, hat aber den Nachteil höherer optischer Verluste und einer höheren Kapazität pro Längeneinheit. Darüber hinaus gibt es SiGe-Modulatoren mit elektrischer Absorption, die auf der Bandkantenbewegung von SiGe (Silizium-Germanium-Legierung) basieren. Darüber hinaus gibt es Graphen-Modulatoren, die Graphen nutzen, um zwischen absorbierenden Metallen und transparenten Isolatoren zu wechseln. Diese veranschaulichen die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Mechanismen zur Erzielung einer schnellen, verlustarmen optischen Signalmodulation.

Abbildung 10: (A) Querschnittsdiagramm verschiedener Designs optischer Modulatoren auf Siliziumbasis und (B) Querschnittsdiagramm von Designs optischer Detektoren.

Abbildung 10B zeigt mehrere Lichtdetektoren auf Siliziumbasis. Das absorbierende Material ist Germanium (Ge). Ge absorbiert Licht bei Wellenlängen bis zu etwa 1,6 Mikrometern. Links ist die derzeit kommerziell erfolgreichste Pin-Struktur dargestellt. Sie besteht aus p-dotiertem Silizium, auf dem Ge wächst. Ge und Si weisen eine Gitterfehlpassung von 4 % auf. Um die Versetzung zu minimieren, wird zunächst eine dünne SiGe-Schicht als Pufferschicht aufgewachsen. Auf der Ge-Schicht wird eine n-Typ-Dotierung aufgebracht. In der Mitte ist eine Metall-Halbleiter-Metall-Fotodiode (MSM) und eine APD (Lawinen-Fotodetektor) ist rechts dargestellt. Der Lawinenbereich in APD befindet sich in Si, das im Vergleich zum Lawinenbereich in Elementmaterialien der Gruppen III-V geringere Rauscheigenschaften aufweist.

Derzeit gibt es keine Lösungen mit offensichtlichen Vorteilen für die Integration optischer Verstärkung mit Siliziumphotonik. Abbildung 11 zeigt mehrere mögliche Optionen, geordnet nach Montageebene. Ganz links sind monolithische Integrationen dargestellt, die epitaktisch gewachsenes Germanium (Ge) als optisches Verstärkungsmaterial, Erbium-dotierte (Er) Glaswellenleiter (wie Al2O3, das optisches Pumpen erfordert) und epitaktisch gewachsene Galliumarsenid (GaAs)-Quantenpunkte umfassen. Die nächste Spalte zeigt die Wafer-zu-Wafer-Montage, die oxidische und organische Bindungen im Verstärkungsbereich der III-V-Gruppe umfasst. Die nächste Spalte zeigt die Chip-zu-Wafer-Montage, bei der der III-V-Chip in die Kavität des Siliziumwafers eingebettet und anschließend die Wellenleiterstruktur bearbeitet wird. Der Vorteil dieses Ansatzes mit den ersten drei Spalten besteht darin, dass das Gerät vor dem Schneiden im Wafer vollständig auf seine Funktion 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 zu kommerziellen Anwendungen geht von der rechten zur linken Seite des Diagramms hin zu stärker integrierten und integrierten Lösungen.

Abbildung 11: So wird die optische Verstärkung in die siliziumbasierte Photonik integriert. Von links nach rechts verschiebt sich der Einfügungspunkt der Fertigung im Prozess allmählich nach hinten.