실리콘 포토닉스 능동소자

실리콘 포토닉스 능동소자

포토닉스 능동 구성 요소는 특히 빛과 물질 사이의 의도적으로 설계된 동적 상호 작용을 나타냅니다. 포토닉스의 전형적인 활성 구성 요소는 광 변조기입니다. 현재의 모든 실리콘 기반광 변조기플라즈마 자유 캐리어 효과를 기반으로 합니다. 도핑, 전기적 또는 광학적 방법을 통해 실리콘 소재의 자유 전자와 정공 수를 변경하면 복소 굴절률이 변경될 수 있습니다. 이는 1550나노미터 파장에서 Soref와 Bennett의 데이터를 피팅하여 얻은 방정식(1,2)에 표시된 프로세스입니다. . 전자와 비교하여 정공은 실제 및 가상 굴절률 변화의 더 큰 부분을 유발합니다. 즉, 주어진 손실 변화에 대해 더 큰 위상 변화를 생성할 수 있으므로마하젠더 변조기및 링 변조기에서는 일반적으로 구멍을 사용하여위상 변조기.

다양한실리콘(Si) 변조기유형은 그림 10A에 나와 있습니다. 캐리어 주입 변조기에서 빛은 매우 넓은 핀 접합 내의 고유 실리콘에 위치하며 전자와 정공이 주입됩니다. 그러나 이러한 변조기는 주입 후 자유 전자와 정공이 재결합하는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문에 일반적으로 대역폭이 500MHz로 더 느립니다. 따라서 이 구조는 변조기보다는 가변광감쇠기(VOA)로 사용되는 경우가 많다. 캐리어 공핍 변조기에서는 밝은 부분이 좁은 pn 접합에 위치하며 pn 접합의 공핍 폭은 인가된 전기장에 따라 변화됩니다. 이 변조기는 50Gb/s를 초과하는 속도에서 작동할 수 있지만 백그라운드 삽입 손실이 높습니다. 일반적인 vpil은 2V-cm입니다. 금속 산화물 반도체(MOS)(실제로는 반도체-산화물-반도체) 변조기는 pn 접합에 얇은 산화물 층을 포함합니다. 이는 약간의 캐리어 축적과 캐리어 고갈을 허용하여 약 0.2V-cm의 더 작은 VπL을 허용하지만 광학 손실이 더 높고 단위 길이당 커패시턴스가 더 높다는 단점이 있습니다. 또한 SiGe(실리콘 게르마늄 합금) 밴드 에지 이동을 기반으로 하는 SiGe 전기 흡수 변조기가 있습니다. 또한 흡수 금속과 투명 절연체 사이를 전환하기 위해 그래핀을 사용하는 그래핀 변조기가 있습니다. 이는 고속, 저손실 광 신호 변조를 달성하기 위해 다양한 메커니즘을 다양하게 적용할 수 있음을 보여줍니다.

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

여러 실리콘 기반 광 검출기가 그림 10B에 표시되어 있습니다. 흡수재는 게르마늄(Ge)입니다. Ge는 약 1.6 마이크론 이하의 파장에서 빛을 흡수할 수 있습니다. 왼쪽에는 오늘날 가장 상업적으로 성공한 핀 구조가 나와 있습니다. Ge가 성장하는 P형 도핑 실리콘으로 구성됩니다. Ge와 Si는 4% 격자 불일치를 가지며, 전위를 최소화하기 위해 먼저 얇은 SiGe 층을 버퍼층으로 성장시킵니다. Ge층 상부에는 N형 도핑이 이루어집니다. MSM(금속-반도체-금속) 포토다이오드가 중앙에 표시되고 APD(눈사태 광검출기) 오른쪽에 표시됩니다. APD의 애벌런치 영역은 Si에 위치하며, 이는 III-V족 원소 재료의 애벌런치 영역에 비해 노이즈 특성이 낮습니다.

현재 실리콘 포토닉스와 광학 이득을 통합하는 데 확실한 이점을 제공하는 솔루션은 없습니다. 그림 11은 어셈블리 수준별로 구성된 몇 가지 가능한 옵션을 보여줍니다. 맨 왼쪽에는 광학 이득 재료로 에피택셜 성장 게르마늄(Ge) 사용, 에르븀 도핑(Er) 유리 도파관(예: 광학 펌핑이 필요한 Al2O3) 및 에피택셜 성장 갈륨 비소(GaAs)를 포함하는 모놀리식 통합이 있습니다. ) 양자점. 다음 열은 III-V족 이득 영역에서 산화물과 유기 결합을 포함하는 웨이퍼 대 웨이퍼 조립입니다. 다음 열은 III-V 그룹 칩을 실리콘 웨이퍼의 캐비티에 내장한 다음 도파관 구조를 가공하는 칩-웨이퍼 어셈블리입니다. 이 처음 세 개의 열 접근 방식의 장점은 절단 전에 장치가 웨이퍼 내부에서 전체 기능 테스트를 받을 수 있다는 것입니다. 가장 오른쪽 열은 실리콘 칩과 III-V 그룹 칩의 직접 결합뿐만 아니라 렌즈 및 격자 커플러를 통한 결합을 포함하는 칩 간 조립입니다. 상용 애플리케이션을 향한 추세는 차트의 오른쪽에서 왼쪽으로 더욱 통합되고 통합된 솔루션을 향해 이동하고 있습니다.

그림 11: 광학 이득이 실리콘 기반 포토닉스에 통합되는 방식. 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면 제조 삽입점이 점차 뒤로 이동합니다.