Siliziozko fotonika elementu aktiboa
Fotonikako osagai aktiboek argiaren eta materiaren arteko nahita diseinatutako elkarrekintza dinamikoei egiten diete erreferentzia. Fotonikaren osagai aktibo tipiko bat modulatzaile optikoa da. Gaur egungo siliziozko oinarridun material guztiakmodulatzaile optikoakplasma eramaile askearen efektuan oinarritzen dira. Siliziozko material bateko elektroi eta zulo askeen kopurua dopaketa, metodo elektriko edo optikoen bidez aldatzeak bere errefrakzio-indize konplexua alda dezake, (1,2) ekuazioetan erakusten den prozesua, Soref eta Bennetten datuak 1550 nanometroko uhin-luzeran egokituz lortutakoa. Elektroiekin alderatuta, zuloek errefrakzio-indize errealaren eta irudizkoaren aldaketen proportzio handiagoa eragiten dute, hau da, fase-aldaketa handiagoa sor dezakete galera-aldaketa jakin baterako, beraz,Mach-Zehnder modulatzaileaketa eraztun modulatzaileak, normalean zuloak erabiltzea hobesten da egitekofase modulatzaileak.
Hainbatsiliziozko (Si) modulatzaileaMotak 10A irudian ageri dira. Eramaileen injekzio modulatzaile batean, argia silizio intrintsekoan dago, pin lotura oso zabal baten barruan, eta elektroiak eta zuloak injektatzen dira. Hala ere, modulatzaile horiek motelagoak dira, normalean 500 MHz-ko banda-zabalera dute, elektroi eta zulo libreek denbora gehiago behar baitute injekzioaren ondoren birkonbinatzeko. Hori dela eta, egitura hau askotan atenuatzaile optiko aldakor (VOA) gisa erabiltzen da modulatzaile gisa baino. Eramaileen agortze modulatzaile batean, argiaren zatia pn lotura estu batean dago, eta pn loturaren agortze-zabalera aldatu egiten da aplikatutako eremu elektriko baten bidez. Modulatzaile honek 50 Gb/s-tik gorako abiaduran funtziona dezake, baina txertatze-galera handia du atzeko planoan. Ohiko vpil-a 2 V-cm da. Metal oxido erdieroale (MOS) (egia esan, erdieroale-oxido-erdieroale) modulatzaile batek oxido geruza mehe bat dauka pn lotura batean. Eramaileen metaketa eta agortzea ahalbidetzen du, 0,2 V-cm inguruko VπL txikiagoa ahalbidetuz, baina galera optiko handiagoak eta luzera-unitateko kapazitantzia handiagoa izatearen desabantaila du. Horrez gain, SiGe xurgapen elektrikoaren modulatzaileak daude, SiGe (silizio-germanio aleazioa) banda-ertzaren mugimenduan oinarrituta. Horrez gain, grafenoaren araberakoak diren grafeno-modulatzaileak daude, xurgatzaile-metalen eta isolatzaile gardenen artean aldatzeko. Hauek mekanismo desberdinen aplikazioen aniztasuna erakusten dute abiadura handiko eta galera txikiko seinale optikoaren modulazioa lortzeko.
10. irudia: (A) Siliziozko modulatzaile optikoen diseinu desberdinen zeharkako diagrama eta (B) detektagailu optikoen diseinuen zeharkako diagrama.
Siliziozko hainbat argi-detektagailu erakusten dira 10B irudian. Xurgatzaile-materiala germanioa (Ge) da. Ge gai da 1,6 mikra inguruko uhin-luzeretan argia xurgatzeko. Ezkerrean ageri da gaur egun komertzialki arrakastatsuena den pin-egitura. P motako silizio dopatuz osatuta dago, eta Ge hazten da bertan. Ge eta Si-k % 4ko sare-desadostasuna dute, eta dislokazioa minimizatzeko, SiGe geruza mehe bat hazten da lehenik buffer-geruza gisa. N motako dopaketa egiten da Ge geruzaren gainean. Metal-erdieroale-metal (MSM) fotodiodo bat erakusten da erdian, eta APD bat (elur-jausien fotodetektagailua) eskuinean ageri da. APD-ko elur-jausi eskualdea Si-n dago, eta honek zarata-ezaugarri txikiagoak ditu III-V taldeko material elementaletan dagoen elur-jausi eskualdearekin alderatuta.
Gaur egun, ez dago abantaila nabarmenik duen irtenbiderik irabazi optikoa siliziozko fotonikarekin integratzeko. 11. irudiak hainbat aukera posible erakusten ditu muntaketa mailaren arabera antolatuta. Ezkerreko muturrean integrazio monolitikoak daude, besteak beste, germanioa (Ge) epitaxialki hazitako material optiko gisa erabiltzea, erbioz dopatutako (Er) beirazko uhin-gidak (adibidez, Al2O3, ponpaketa optikoa behar duena) eta galio arseniuro (GaAs) epitaxialki hazitako puntu kuantikoak. Hurrengo zutabea oblea-oblearen muntaketa da, III-V taldearen irabazi eskualdean oxido eta lotura organikoak barne hartzen dituena. Hurrengo zutabea txiparen eta oblearen arteko muntaketa da, eta horrek III-V taldeko txipa siliziozko oblearen barrunbean txertatzea eta gero uhin-gidaren egitura mekanizatzea dakar. Hiru zutabeko lehen hurbilketa honen abantaila da gailua guztiz funtzionala probatu daitekeela oblearen barruan moztu aurretik. Eskuineko zutabea txiparen eta txiparen arteko muntaketa da, siliziozko txipen eta III-V taldeko txipen arteko zuzeneko akoplamendua barne, baita lente eta sare akoplatzaileen bidezko akoplamendua ere. Aplikazio komertzialen joera grafikoaren eskuinaldetik ezkerrera mugitzen ari da, irtenbide integratuago eta integratuagoetara.
11. irudia: Nola integratzen den irabazi optikoa siliziozko fotonikan. Ezkerretik eskuinera mugitzen zaren heinean, fabrikazio-txertatze-puntua pixkanaka atzera mugitzen da prozesuan.
Argitaratze data: 2024ko uztailak 22