シリコンフォトニクス能動素子

シリコンフォトニクス能動素子

フォトニクスアクティブコンポーネントとは、特に、意図的に設計された光と物質との間の動的相互作用を指します。フォトニクスの典型的な能動部品は光変調器です。現在のすべてのシリコンベース光変調器これらは血漿フリーキャリア効果に基づいています。ドーピング、電気的または光学的方法によってシリコン材料の自由電子と正孔の数を変えると、複素屈折率が変化します。このプロセスは、Soref と Bennett からのデータを 1550 ナノメートルの波長でフィッティングすることによって得られる式 (1、2) に示されています。 。電子と比較して、正孔は実数および虚数の屈折率変化のより大きな割合を引き起こします。つまり、所定の損失変化に対してより大きな位相変化を生成することができます。マッハツェンダー変調器リングモジュレータの場合、通常はホールを使用して作成することが好まれます。位相変調器.

さまざまなシリコン (Si) 変調器タイプを図 10A に示します。キャリア注入変調器では、非常に広い pin 接合内の真性シリコンに光が配置され、電子と正孔が注入されます。ただし、自由電子と正孔が注入後に再結合するのに時間がかかるため、このような変調器は低速であり、通常は帯域幅が 500 MHz です。したがって、この構造は変調器ではなく可変光減衰器 (VOA) として使用されることがよくあります。キャリア空乏型変調器では、明るい部分は狭い pn 接合に位置し、pn 接合の空乏幅は印加された電界によって変化します。この変調器は 50Gb/s を超える速度で動作できますが、バックグラウンド挿入損失が高くなります。標準的な vpil は 2 V-cm です。金属酸化物半導体 (MOS) (実際には半導体-酸化物-半導体) 変調器には、pn 接合に薄い酸化物層が含まれています。これにより、キャリアの蓄積とキャリアの枯渇が可能になり、VπL を約 0.2 V-cm まで小さくすることができますが、光損失が大きくなり、単位長さあたりの静電容量が大きくなるという欠点があります。さらに、SiGe (シリコン ゲルマニウム合金) のバンド エッジの動きに基づいた SiGe 電気吸収変調器もあります。さらに、グラフェンに依存して吸収金属と透明絶縁体を切り替えるグラフェン変調器もあります。これらは、高速、低損失の光信号変調を実現するためのさまざまなメカニズムの応用の多様性を示しています。

図 10: (A) さまざまなシリコンベースの光変調器設計の断面図、および (B) 光検出器設計の断面図。

いくつかのシリコンベースの光検出器を図 10B に示します。吸収材はゲルマニウム（Ge）です。 Ge は約 1.6 ミクロンまでの波長の光を吸収できます。左側に示されているのは、現在最も商業的に成功しているピン構造です。これは、Ge が成長する P 型ドープ シリコンで構成されています。 Ge と Si には 4% の格子不整合があり、転位を最小限に抑えるために、最初に薄い SiGe 層をバッファ層として成長させます。 N型ドーピングはGe層の上部で実行されます。金属-半導体-金属 (MSM) フォトダイオードが中央に示されており、APD (アバランシェ光検出器）を右に示します。 APD のアバランシェ領域は Si に位置しており、III-V 族元素材料のアバランシェ領域と比較してノイズ特性が低くなります。

現時点では、光利得とシリコンフォトニクスを統合する際に明らかな利点を持つ解決策はありません。図 11 は、アセンブリ レベルごとにまとめられたいくつかの可能なオプションを示しています。一番左は、光利得材料としてのエピタキシャル成長ゲルマニウム (Ge)、エルビウムドープ (Er) ガラス導波路 (光ポンピングを必要とする Al2O3 など)、およびエピタキシャル成長ガリウムヒ素 (GaAs) の使用を含むモノリシック集積です。 ) 量子ドット。次の列は、III-V 族利得領域の酸化物と有機結合を含むウェハ間のアセンブリです。次の列は、チップとウェーハのアセンブリです。これには、III-V 族チップをシリコンウェーハのキャビティに埋め込み、導波路構造を機械加工することが含まれます。この最初の 3 つのカラムによるアプローチの利点は、切断前にデバイスの完全な機能をウェーハ内でテストできることです。一番右の列はチップ間アセンブリであり、シリコン チップと III-V 族チップの直接結合、およびレンズおよびグレーティング カプラーを介した結合が含まれます。商用アプリケーションへの傾向は、グラフの右側から左側に向かって、より統合された統合ソリューションに向かって進んでいます。

図 11: 光利得がどのようにシリコンベースのフォトニクスに統合されるか。左から右に移動すると、製造挿入ポイントは徐々にプロセス内に戻ります。