실리콘 광자공학 능동소자

실리콘 광자공학 능동소자

광자학 활성 부품은 빛과 물질 사이의 의도적으로 설계된 동적 상호작용을 구체적으로 지칭합니다. 광자학의 전형적인 활성 부품은 광 변조기입니다. 현재 모든 실리콘 기반광 변조기플라즈마 자유 캐리어 효과에 기반합니다. 도핑, 전기적 또는 광학적 방법을 통해 실리콘 재료의 자유 전자와 정공의 수를 변경하면 복소 굴절률을 변경할 수 있으며, 이는 Soref와 Bennett의 데이터를 1550nm 파장에서 피팅하여 얻은 방정식 (1, 2)에 나타난 과정입니다. 전자와 비교했을 때, 정공은 실수 및 허수 굴절률 변화에서 더 큰 비중을 차지합니다. 즉, 주어진 손실 변화에 대해 더 큰 위상 변화를 생성할 수 있습니다.마흐젠더 변조기그리고 링 변조기의 경우 일반적으로 구멍을 사용하여 만드는 것이 더 좋습니다.위상 변조기.

다양한실리콘(Si) 변조기그림 10A에 여러 유형이 나와 있습니다. 캐리어 주입 변조기에서 빛은 매우 넓은 핀 접합 내의 진성 실리콘에 위치하며, 전자와 정공은 주입됩니다. 그러나 이러한 변조기는 일반적으로 500MHz의 대역폭을 가지며, 주입 후 자유 전자와 정공이 재결합하는 데 시간이 더 오래 걸리기 때문에 속도가 더 느립니다. 따라서 이 구조는 변조기보다는 가변 광 감쇠기(VOA)로 자주 사용됩니다. 캐리어 공핍 변조기에서 빛 부분은 좁은 pn 접합에 위치하며, pn 접합의 공핍 폭은 인가된 전기장에 의해 변화합니다. 이 변조기는 50Gb/s 이상의 속도로 작동할 수 있지만, 높은 백그라운드 삽입 손실을 가집니다. 일반적인 vpil은 2V-cm입니다. 금속 산화물 반도체(MOS)(실제로는 반도체-산화물-반도체) 변조기는 pn 접합에 얇은 산화막을 포함합니다. 이 방식은 캐리어 축적과 캐리어 고갈을 어느 정도 허용하여 약 0.2 V-cm의 더 작은 VπL을 허용하지만, 광 손실이 더 크고 단위 길이당 정전용량이 더 크다는 단점이 있습니다. 또한, SiGe(실리콘 게르마늄 합금) 밴드 에지 이동을 기반으로 하는 SiGe 전기 흡수 변조기가 있습니다. 또한, 그래핀을 이용하여 흡수 금속과 투명 절연체 사이를 전환하는 그래핀 변조기도 있습니다. 이러한 변조기는 고속, 저손실 광 신호 변조를 달성하기 위한 다양한 메커니즘의 응용 분야를 보여줍니다.

그림 10: (A) 다양한 실리콘 기반 광 변조기 설계의 단면도 및 (B) 광 검출기 설계의 단면도.

그림 10B에는 여러 실리콘 기반 광 검출기가 나와 있습니다. 흡수 물질은 게르마늄(Ge)입니다. 게르마늄은 약 1.6마이크론까지의 파장에서 빛을 흡수할 수 있습니다. 왼쪽에 표시된 것은 오늘날 가장 상업적으로 성공한 핀 구조입니다. 이 구조는 게르마늄이 성장하는 P형 도핑 실리콘으로 구성됩니다. 게르마늄과 실리콘은 4%의 격자 부정합을 가지며, 전위를 최소화하기 위해 먼저 얇은 SiGe 층을 버퍼층으로 성장시킵니다. 게르마늄 층 상단에는 N형 도핑이 수행됩니다. 중앙에는 금속-반도체-금속(MSM) 광전 다이오드가 표시되어 있으며, APD(눈사태 광검출기)가 오른쪽에 나와 있습니다. APD의 애벌랜치 영역은 Si에 위치하는데, 이는 III-V족 원소 재료의 애벌랜치 영역보다 잡음 특성이 낮습니다.

현재 실리콘 포토닉스와 광 이득을 통합하는 데 있어 명확한 장점을 가진 솔루션은 없습니다. 그림 11은 어셈블리 레벨별로 정리된 몇 가지 가능한 옵션을 보여줍니다. 맨 왼쪽에는 에피택셜 성장 게르마늄(Ge)을 광 이득 재료로 사용하고, 에르븀 도핑(Er) 유리 도파로(광 펌핑이 필요한 Al₂O₃ 등), 그리고 에피택셜 성장 갈륨비소(GaAs) 양자점을 사용하는 모노리식 집적 방식이 있습니다. 다음 열은 III-V족 이득 영역에서 산화물과 유기 결합을 포함하는 웨이퍼 간 조립입니다. 다음 열은 III-V족 칩을 실리콘 웨이퍼의 캐비티에 매립한 후 도파로 구조를 가공하는 칩 간 조립입니다. 이 처음 세 열의 접근 방식은 절단 전에 웨이퍼 내부에서 소자의 기능을 완전히 테스트할 수 있다는 장점이 있습니다. 가장 오른쪽 열은 실리콘 칩과 III-V족 칩을 직접 결합하고 렌즈와 격자 결합기를 통한 결합을 포함하는 칩 간 조립입니다. 상업용 애플리케이션에 대한 추세는 차트의 오른쪽에서 왼쪽으로, 보다 통합적이고 통합된 솔루션을 향해 이동하고 있습니다.

그림 11: 실리콘 기반 포토닉스에 광 이득이 통합되는 방식. 왼쪽에서 오른쪽으로 이동함에 따라 제조 삽입 지점은 공정에서 점차 뒤로 이동합니다.