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

フォトニクスの能動部品とは、光と物質の間の意図的に設計された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。現在のシリコンベースの光変調器はプラズマ自由キャリア効果に基づいています。シリコン材料中の自由電子と正孔の数をドーピング、電気的または光学的方法によって変化させることで、その複素屈折率を変化させることができます。このプロセスは、SorefとBennettのデータを用いて1550ナノメートルの波長でフィッティングすることで得られた式(1,2)に示されています。電子と比較して、正孔は実屈折率と虚屈折率の変化に占める割合が大きく、つまり、損失の変化に対してより大きな位相変化を生み出すことができるため、マッハツェンダー変調器リング変調器では、通常、ホールを使用して位相変調器.

様々なシリコン（Si）変調器図 10A に、さまざまなタイプを示します。キャリア注入変調器では、光は非常に広い p-i-n 接合内の真性シリコンにあり、電子と正孔が注入されます。ただし、このような変調器は低速で、通常、帯域幅は 500 MHz です。これは、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です。そのため、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。キャリア空乏変調器では、光の部分は狭い pn 接合にあり、pn 接合の空乏幅は印加電界によって変化します。この変調器は 50 Gb/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大きくなります。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。この方式では、キャリアの蓄積と空乏がある程度可能となるため、VπLは約0.2 V-cmと小さくなりますが、光損失と単位長さあたりの容量が大きい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）のバンドエッジ移動を利用したSiGe電気吸収変調器があります。さらに、グラフェンを用い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、高速かつ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多様な応用例を示しています。

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) 光検出器設計の断面図。

図10Bに、シリコンベースの光検出器をいくつか示します。吸収材料はゲルマニウム（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、今日最も商業的に成功しているpin構造です。これは、P型ドープされたシリコン上にGeが成長したものです。GeとSiは4%の格子不整合があり、転位を最小限に抑えるために、まずバッファ層としてSiGeの薄い層が成長します。N型ドーピングはGe層の上部に行われます。中央には金属-半導体-金属（MSM）フォトダイオードが示され、APD（アバランシェ光検出器）が右側に示されています。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いです。

現時点では、光利得とシリコンフォトニクスを統合する上で明確な利点を持つソリューションは存在しません。図11は、アセンブリレベル別に整理されたいくつかの可能な選択肢を示しています。左端は、エピタキシャル成長ゲルマニウム（Ge）を光利得材料として使用するモノリシック統合、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）量子ドットです。次の列は、III-V族利得領域における酸化物および有機結合を含むウェーハ対ウェーハアセンブリです。次の列は、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チップ対ウェーハアセンブリです。この最初の3列のアプローチの利点は、デバイスを切断前にウェーハ内で完全に機能テストできることです。右端は、シリコンチップとIII-V族チップの直接結合、およびレンズやグレーティングカプラを介した結合を含むチップ対チップアセンブリです。商用アプリケーションの傾向は、グラフの右側から左側へと、より統合された統合ソリューションへと移行しています。

図11：シリコンベースのフォトニクスに光利得がどのように統合されるか。左から右へ進むにつれて、製造工程の挿入ポイントは徐々に後方に移動します。