GeSi/Ge電吸收調(diào)制器

  在硅光芯片中，通常利用Si材料的等離子體色散效應(yīng)(plasma dispesion effect), 借助于電學(xué)結(jié)構(gòu)使得光波導(dǎo)中載流子的濃度發(fā)生變化，進(jìn)而引起有效折射率的變化，借助于MZI或者微環(huán)等結(jié)構(gòu)，使得光的強(qiáng)度發(fā)生變化。典型的耗盡型MZI型調(diào)制器，其長(zhǎng)度在毫米量級(jí)，這一尺寸在transceiver領(lǐng)域還可以接受。但是對(duì)于未來(lái)的大規(guī)模集成光路(large scale PIC)，必須尋找尺寸更小的調(diào)制器結(jié)構(gòu)?；贕eSi/Ge的電吸收調(diào)制器是潛在的解決方案之一。

  Ge材料的吸收譜線如下圖所示，

  (圖片來(lái)自https://www.researchgate.net/publication/224506237_Germanium_on_Silicon_for_Near-Infrared_Light_Sensing)

  Ge材料在O波段和C波段都有較大的吸收系數(shù)，這也是為什么硅光芯片中采用Ge作為光探測(cè)器。而Ge材料作為電吸收調(diào)制器，主要是基于Franz-Keldysh效應(yīng)(以下簡(jiǎn)稱FK效應(yīng))。在外加電場(chǎng)作用下，能帶發(fā)生傾斜，使得有效的帶隙變小，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶的幾率大大增加。

  (圖片來(lái)自文獻(xiàn)1)

  從上圖中可以看出，F(xiàn)K效應(yīng)主要作用于能量略低于帶隙的光子，在外加電場(chǎng)的作用下，其吸收系數(shù)增加。通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的大小，可以調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度，也就是所謂的電吸收調(diào)制(electro-absorption modulation)。由于FC效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間在亞皮秒量級(jí)，EAM的帶寬主要受限于RC，典型的3dB帶寬在30GHz以上。

  Ge材料gama點(diǎn)處的帶隙為0.8eV, 但由于應(yīng)力的作用，在Si波導(dǎo)上生長(zhǎng)的Ge材料的帶隙為0.77eV,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1610nm。這也是基于Ge的EAM工作波長(zhǎng)位于L波段，而不是C波段。通過(guò)引入較小比例的Si，形成GeSi合金，可以將工作波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到C波段。目前，GeSi/Ge的EAM都是工作于C或者L波段，并不能工作在O波段，而目前數(shù)據(jù)中心光模塊的工作波長(zhǎng)都是在O波段，這點(diǎn)限制了EAM型調(diào)制器在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，這也是Mellanox公司放棄其1550nm產(chǎn)品線的原因之一。

  Ge EAM調(diào)制器的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示，采用橫向的pin型結(jié)構(gòu)，

  (圖片來(lái)自文獻(xiàn)2)

  通過(guò)設(shè)計(jì)doing profile以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得光場(chǎng)與電場(chǎng)之間發(fā)生有效地交疊。文獻(xiàn)2中，零偏壓時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度為9.8kV/cm, 而-2V時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)?6kV/cm。其吸收譜曲線如下圖所示，電壓增大后，吸收系數(shù)增大(有點(diǎn)類似VOA)。

  (圖片來(lái)自文獻(xiàn)2)

  Ge EAM和Ge PD的結(jié)構(gòu)非常相似，小豆芽一開始有些困惑。主要的區(qū)別有以下幾點(diǎn)：

  1)工作波長(zhǎng)，受FK效應(yīng)的限制，EAM的光學(xué)帶寬非常小，且工作波長(zhǎng)位于L波段附近，而Ge PD可以吸收能量大于其帶隙的光子

  2)偏壓的工作模式，兩者都工作在反偏電壓下，區(qū)別在于Ge PD的偏壓不需要調(diào)節(jié)，而Ge EAM需要反復(fù)切換電壓，以達(dá)到對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。

  3) 光電流，在Ge EAM也會(huì)產(chǎn)生光電流，它是EAM靜態(tài)功耗的主要來(lái)源。而對(duì)于Ge PD, 光電流信號(hào)是需要采集的有效信號(hào)。

  下表給出了Ge EAM的最新進(jìn)展，

  (圖片來(lái)自文獻(xiàn)3)

  從上表可以看出，Ge EAM的尺寸非常小，長(zhǎng)度只需要幾十微米，工作波長(zhǎng)在1550nm以上，其工作電壓在3V左右，3dB帶寬可以達(dá)到56GHz，功耗較低。因此小豆芽覺得，對(duì)于大規(guī)模集成光路，對(duì)單個(gè)器件的尺寸與功耗要求比較高，此時(shí)EAM或許有用武之地。

  目前，IMEC已經(jīng)提供Ge EAM相關(guān)的PDK(也是目前唯一一家)，如下圖所示。

  (圖片來(lái)自 https://drupal.imec-int.com/sites/default/files/2019-03/SILICON-PHOTONICS-V06.pdf )

  以上是對(duì)Ge EAM的簡(jiǎn)單整理，小豆芽相信隨著PIC規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，Ge EAM必將在硅基集成光路中扮演非常重要的角色。