Piifotoniikan aktiivinen elementti
Fotoniikan aktiiviset komponentit viittaavat erityisesti tarkoituksella suunniteltuihin dynaamisiin vuorovaikutuksiin valon ja aineen välillä. Tyypillinen fotoniikan aktiivinen komponentti on optinen modulaattori. Kaikki nykyiset piipohjaisetoptiset modulaattoritperustuvat plasman vapaan varauksenkuljettajan vaikutukseen. Piimateriaalin vapaiden elektronien ja aukkojen lukumäärän muuttaminen dopingilla, sähköisillä tai optisilla menetelmillä voi muuttaa sen kompleksista taitekerrointa. Tämä prosessi on esitetty yhtälöissä (1,2), jotka on saatu sovittamalla Sorefin ja Bennettin tietoja 1550 nanometrin aallonpituudella. Elektroneihin verrattuna aukot aiheuttavat suuremman osan reaalisista ja imaginäärisistä taitekertoimen muutoksista, eli ne voivat tuottaa suuremman vaihemuutoksen tietyllä häviömuutoksella, jotenMach-Zehnder-modulaattoritja rengasmodulaattoreiden kanssa on yleensä suositeltavaa käyttää reikiä niiden valmistukseenvaihemodulaattorit.
Erilaisetpii (Si) -modulaattoriTyypit on esitetty kuvassa 10A. Varauksenkuljettajan injektiomodulaattorissa valo sijaitsee piisirunkoisessa osassa erittäin leveää nastaliitosta, ja elektroneja ja aukkoja injektoidaan. Tällaiset modulaattorit ovat kuitenkin hitaampia, tyypillisesti 500 MHz:n kaistanleveydellä, koska vapaiden elektronien ja aukkojen uudelleenyhdistyminen kestää kauemmin injektoinnin jälkeen. Siksi tätä rakennetta käytetään usein säädettävänä optisena vaimentimena (VOA) modulaattorin sijaan. Varauksenkuljettajan ehtymismodulaattorissa valo-osa sijaitsee kapeassa pn-liitoksessa, ja pn-liitoksen ehtymisleveyttä muutetaan käytetyllä sähkökentällä. Tämä modulaattori voi toimia yli 50 Gb/s nopeuksilla, mutta sillä on suuri taustan lisäyshäviö. Tyypillinen vpil on 2 V-cm. Metallioksidipuolijohdemodulaattori (MOS) (itse asiassa puolijohde-oksidi-puolijohde) sisältää ohuen oksidikerroksen pn-liitoksessa. Se sallii varauksenkuljettajien kertymisen sekä varauksenkuljettajien ehtymisen, mikä mahdollistaa pienemmän VπL:n, noin 0,2 V-cm, mutta sillä on haittana suuremmat optiset häviöt ja suurempi kapasitanssi pituusyksikköä kohti. Lisäksi on olemassa SiGe-sähköabsorptiomodulaattoreita, jotka perustuvat SiGe:n (pii-germaniumseos) nauhan reunan liikkeeseen. Lisäksi on olemassa grafeenimodulaattoreita, jotka käyttävät grafeenia vaihtaakseen absorboivien metallien ja läpinäkyvien eristeiden välillä. Nämä osoittavat eri mekanismien sovellusten monimuotoisuuden nopean ja pienihäviöisen optisen signaalin moduloinnin saavuttamiseksi.
Kuva 10: (A) Erilaisten piipohjaisten optisten modulaattorien suunnittelun poikkileikkauskuva ja (B) optisten ilmaisimien suunnittelun poikkileikkauskuva.
Kuvassa 10B on esitetty useita piipohjaisia valoilmaisimia. Absorboiva materiaali on germanium (Ge). Ge pystyy absorboimaan valoa jopa noin 1,6 mikronin aallonpituuksilla. Vasemmalla on esitetty kaupallisesti menestynein tappirakenne tällä hetkellä. Se koostuu P-tyyppisestä seostetusta piistä, jonka päällä Ge kasvaa. Ge:n ja Si:n hilaepäsuhta on 4 %, ja dislokaation minimoimiseksi ensin kasvatetaan ohut SiGe-kerros puskurikerrokseksi. N-tyyppinen seostus suoritetaan Ge-kerroksen päälle. Keskellä on metalli-puolijohde-metalli (MSM) -fotodiodi ja APD (lumivyöryvalodetektori) on esitetty oikealla. APD:n lumivyöryalue sijaitsee Si:ssä, jolla on alhaisemmat kohinaominaisuudet verrattuna III-V-ryhmän alkuaineiden lumivyöryalueeseen.
Tällä hetkellä ei ole olemassa ratkaisuja, joilla olisi ilmeisiä etuja optisen vahvistuksen integroinnissa piifotoniikan kanssa. Kuva 11 esittää useita mahdollisia vaihtoehtoja kokoonpanotason mukaan järjestettyinä. Vasemmalla reunalla ovat monoliittiset integraatiot, joihin kuuluu epitaksiaalisesti kasvatetun germaniumin (Ge) käyttö optisena vahvistusmateriaalina, erbiumilla seostetut (Er) lasiaaltojohteet (kuten Al2O3, joka vaatii optista pumppausta) ja epitaksiaalisesti kasvatetut galliumarsenidi (GaAs) kvanttipisteet. Seuraava sarake on kiekosta kiekkoon -kokoonpano, johon liittyy oksidi- ja orgaaninen sidos III-V-ryhmän vahvistusalueella. Seuraava sarake on sirusta kiekkoon -kokoonpano, johon kuuluu III-V-ryhmän sirun upottaminen piikiekon onteloon ja sitten aaltojohdinrakenteen työstäminen. Tämän ensimmäisen kolmen sarakkeen lähestymistavan etuna on, että laite voidaan testata täysin toiminnallisesti kiekon sisällä ennen leikkausta. Oikeanpuoleisin sarake on sirusta kiekkoon -kokoonpano, johon kuuluu piisirujen suora kytkentä III-V-ryhmän siruihin sekä kytkentä linssi- ja hilakytkimien avulla. Kaupallisten sovellusten trendi siirtyy kaavion oikealta vasemmalle puolelle kohti integroidumpia ja integroidumpia ratkaisuja.
Kuva 11: Kuinka optinen vahvistus integroidaan piipohjaiseen fotoniikkaan. Vasemmalta oikealle siirryttäessä valmistuksen lisäyskohta siirtyy vähitellen taaksepäin prosessissa.
Julkaisun aika: 22.7.2024