Aktives Silizium-Photonik-Element
Photonische Aktivkomponenten 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-basiertoptische Modulatorenbasieren auf dem plasmafreien Trägereffekt. Die Änderung der Anzahl freier Elektronen und Löcher in einem Siliziummaterial durch Dotierung, elektrische oder optische Methoden kann seinen komplexen Brechungsindex ändern, ein Prozess, der in den Gleichungen (1,2) dargestellt ist, die durch Anpassen von Daten von Soref und Bennett bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern erhalten wurden . Im Vergleich zu Elektronen verursachen Löcher einen größeren Anteil der realen und imaginären Brechungsindexänderungen, das heißt, sie können bei einer gegebenen Verluständerung eine größere Phasenänderung erzeugenMach-Zehnder-Modulatorenund Ringmodulatoren werden in der Regel vorzugsweise Löcher hergestelltPhasenmodulatoren.
Die VerschiedenenModulator aus Silizium (Si).Typen sind in Abbildung 10A dargestellt. Bei einem Ladungsträgerinjektionsmodulator wird Licht in einem sehr breiten Pin-Übergang im intrinsischen Silizium lokalisiert und Elektronen und Löcher werden injiziert. Allerdings sind solche Modulatoren langsamer, typischerweise mit einer Bandbreite von 500 MHz, da die Rekombination freier Elektronen und Löcher nach der Injektion länger dauert. Daher wird diese Struktur häufig als variabler optischer Abschwächer (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 geändert. Dieser Modulator kann mit Geschwindigkeiten von mehr als 50 Gbit/s betrieben werden, weist jedoch einen hohen Hintergrundeinfügungsverlust auf. Der typische Vpil beträgt 2 V-cm. Ein Metalloxid-Halbleitermodulator (MOS) (eigentlich Halbleiter-Oxid-Halbleiter-Modulator) enthält eine dünne Oxidschicht in einem pn-Übergang. Es ermöglicht eine gewisse Ladungsträgerakkumulation sowie Ladungsträgerverarmung, was einen kleineren VπL von etwa 0,2 V-cm ermöglicht, hat aber den Nachteil höherer optischer Verluste und einer höheren Kapazität pro Längeneinheit. Darüber hinaus gibt es elektrische SiGe-Absorptionsmodulatoren, die auf der Bandkantenbewegung von SiGe (Silizium-Germanium-Legierung) basieren. Darüber hinaus gibt es Graphenmodulatoren, die auf Graphen basieren, um zwischen absorbierenden Metallen und transparenten Isolatoren zu wechseln. Diese demonstrieren die Vielfalt der Anwendungen verschiedener Mechanismen, um eine schnelle, verlustarme optische Signalmodulation zu erreichen.
Abbildung 10: (A) Querschnittsdiagramm verschiedener optischer Modulatordesigns auf Siliziumbasis und (B) Querschnittsdiagramm optischer Detektordesigns.
In Abbildung 10B sind mehrere siliziumbasierte Lichtdetektoren dargestellt. Das absorbierende Material ist Germanium (Ge). Ge ist in der Lage, Licht mit Wellenlängen bis zu etwa 1,6 Mikrometern zu absorbieren. Links ist die derzeit kommerziell erfolgreichste Pin-Struktur dargestellt. Es besteht aus P-dotiertem Silizium, auf dem Ge wächst. Ge und Si weisen eine Gitterfehlanpassung von 4 % auf, und um die Versetzung zu minimieren, wird zunächst eine dünne Schicht SiGe als Pufferschicht aufgewachsen. Auf der Oberseite der Ge-Schicht wird eine N-Dotierung durchgeführt. In der Mitte ist eine Metall-Halbleiter-Metall-Fotodiode (MSM) und eine APD (Lawinenfotodetektor) wird rechts angezeigt. Die Lawinenregion in APD befindet sich in Si, das im Vergleich zur Lawinenregion in elementaren Materialien der Gruppe III-V geringere Rauscheigenschaften aufweist.
Derzeit gibt es keine Lösungen mit offensichtlichen Vorteilen bei der Integration optischer Verstärkung in die Siliziumphotonik. Abbildung 11 zeigt mehrere mögliche Optionen, geordnet nach Baugruppenebene. Ganz links sind monolithische Integrationen zu sehen, die die Verwendung von epitaktisch gewachsenem Germanium (Ge) als optisches Verstärkungsmaterial, mit Erbium dotierten (Er) Glaswellenleitern (wie Al2O3, das optisches Pumpen erfordert) und epitaktisch gewachsenem Galliumarsenid (GaAs) umfassen ) Quantenpunkte. Die nächste Spalte ist die Wafer-zu-Wafer-Montage, bei der es um die Bindung von Oxiden und organischen Verbindungen im Verstärkungsbereich der III-V-Gruppe geht. Die nächste Säule ist die Chip-zu-Wafer-Montage, bei der der Chip der III-V-Gruppe in den Hohlraum des Siliziumwafers eingebettet und anschließend die Wellenleiterstruktur bearbeitet wird. Der Vorteil dieses ersten Drei-Säulen-Ansatzes besteht darin, dass das Gerät vor dem Schneiden im Inneren des Wafers vollständig funktionsfähig getestet werden kann. Die Spalte ganz rechts ist die Chip-zu-Chip-Montage, einschließlich der direkten Kopplung von Siliziumchips an Chips der III-V-Gruppe sowie der Kopplung über Linsen- und Gitterkoppler. Der Trend zu kommerziellen Anwendungen geht von der rechten auf die linke Seite des Diagramms hin zu stärker integrierten und integrierten Lösungen.
Abbildung 11: Wie optischer Gewinn in die siliziumbasierte Photonik integriert wird. Wenn Sie sich von links nach rechts bewegen, bewegt sich der Fertigungseinfügepunkt im Prozess allmählich zurück.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Juli 2024