シリコンフォトニクスアクティブエレメント

シリコンフォトニクスアクティブエレメント

Photonicsアクティブコンポーネントは、光と物質の間の意図的に設計された動的相互作用を特に指します。フォトニクスの典型的なアクティブ成分は、光学変調器です。すべての現在のシリコンベース光モジュレータープラズマフリーキャリア効果に基づいています。ドーピング、電気、または光学的方法によりシリコン材料の自由電子と穴の数を変更すると、複雑な屈折率、つまり1550ナノメートルの波長でSOREFとベネットからデータを適合させることで得られる式（1,2）に示されているプロセスが変更されます。電子と比較して、穴は実際の屈折率の変化の大部分を引き起こします。つまり、特定の損失の変化に対してより大きな位相変化をもたらすことができます。Mach-Zehnderモジュレーターリングモジュレーター、通常は穴を使用して作ることが好まれます位相モジュレーター.

さまざまなものシリコン（SI）モジュレータータイプを図10aに示します。キャリア注入変調器では、光は非常に広いピン接合部の内因性シリコンにあり、電子と穴が注入されます。ただし、そのようなモジュレーターは遅く、通常は500 MHzの帯域幅があります。これは、無料の電子と穴が注射後に再結合に時間がかかるためです。したがって、この構造は、変調器ではなく可変光減衰器（VOA）としてよく使用されます。キャリアの枯渇変調器では、光部分は狭いPN接合部にあり、PN接合部の枯渇幅は印加電界によって変更されます。このモジュレーターは、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。典型的な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 - 陰導体）変調器には、PN接合部に薄い酸化物層が含まれています。一部のキャリアの蓄積とキャリアの枯渇を可能にし、約0.2 V-CMの小さなVπLを許可しますが、単位長さあたりの光学損失が高く、静電容量が高いという不利な点があります。さらに、SIGE（シリコンゲルマニウム合金）バンドエッジの動きに基づいたSige電気吸収モジュレーターがあります。さらに、グラフェンに依存して吸収金属と透明な絶縁体を切り替えるグラフェンモジュレーターがあります。これらは、高速で低下の光学信号変調を達成するために、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と（b）光学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。吸収材料はゲルマニウム（GE）です。 GEは、波長の光を約1.6ミクロンまで吸収できます。左に示されているのは、今日最も商業的に成功したピン構造です。 GEが成長するP型ドープドープシリコンで構成されています。 GeとSiには4％の格子の不一致があり、転位を最小限に抑えるために、Sigeの薄い層が最初にバッファー層として成長します。 n型ドーピングは、GE層の上部で実行されます。中央には金属半導体 - メタル（MSM）フォトダイオードが表示され、APDが表示されます（雪崩光検出器）右に表示されます。 APDの雪崩地域はSIにあり、グループII-Vエレメンタル材料の雪崩地域と比較してノイズ特性が低い。

現在、光学ゲインをシリコンフォトニクスと統合することに明らかな利点を持つソリューションはありません。図11は、アセンブリレベルごとに編成されたいくつかの可能なオプションを示しています。左端には、光学ゲイン材料、エルビウムドープ（ER）ガラス波動ガイド（光ポンプを必要とするAl2O3など）としてのエピタキシルに成長したゲルマニウム（GE）の使用、およびエピタックスに成長したアルセニド（GAAS）量子ドットを含むモノリシックな統合があります。次のコラムは、III-Vグループゲイン領域での酸化物と有機結合を含むウェーハアセンブリへのウェーハです。次のコラムはチップツーワーファーアセンブリで、III-Vグループチップをシリコンウェーハの空洞に埋め込み、次に導波路構造を加工することが含まれます。この最初の3つの列アプローチの利点は、デバイスを切断する前にウェーハ内で完全に機能的にテストできることです。右の列は、シリコンチップのIII-Vグループチップへの直接結合、およびレンズとグレーティングカプラーを介したカップリングなど、チップからチップアセンブリです。商用アプリケーションへの傾向は、チャートの右から右側から、より統合された統合ソリューションと統合ソリューションに移行しています。

図11：シリコンベースのフォトニクスに光学ゲインがどのように統合されるか。左から右に移動すると、製造挿入ポイントは徐々にその過程で戻ります。