МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 5, с. 384-389
- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СУБМИКРОННОГО КНИ ФОТОННОГО ФАЗОВОГО МОДУЛЯТОРА
© 2014 г. Н. В. Масальский
Научно-исследовательский институт системных исследований Российской АН
E-mail: volkov@niisi.ras.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г.
Обсуждается перспективный подход для реализации широкополосной оптической модуляции. На основе экспериментальных данных при помощи численных решений исследованы статические и динамические модуляционные характеристики субмикронных фазовых фотонных модуляторов выполненных на базе технологии "кремний на изоляторе". Определены пути оптимизации параметров субмикронных фотонных устройств для реализации широкополосной модуляции с высокой эффективностью в полосе более 100 ГГц.
DOI: 10.7868/S0544126914040061
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вопросы, связанные с модуляций оптического пучка, приобретают особо значение для развития технологий создания оптических сетей связи и высокопроизводительных вычислительных систем с применением оптических узлов и компонент [1]. Это связано с тем, что ши-рокополосность таких систем можно использовать только при наличии широкополосных модуляторов для введения информационного сигнала в оптический пучок. Для решения этой задачи наиболее перспективен метод сочетания оптических волноводных технологий и технологии КНИ ("кремний на изоляторе"), что открывает возможность реализации высокоэффективной широкополосной оптической модуляции [2—3].
Одним из перспективных подходов является применение волноводного КНИ интерферометра Маха—Цендера, в котором активная часть интерференционной схемы чувствительна к изменению разности оптических длин плеч [2]. В данном случае в результате изменения эффективного показателя преломления. Интерферометр может быть выполнен по принципу опорного и сигнального плеча или по дифференциальному принципу, когда внешнее воздействие вызывает изменение длин плеч с разным знаком.
Активной частью интерферометра Маха—Цендера является волноводный КНИ фазовый модулятор [2—5]. Он определяет основные характеристики интерферометра, такие как глубина и полоса модуляции, потребляемая мощность, габариты и вес. Один из главных параметров — полоса модуляции напрямую связана с его емкостью [2, 5]. Для того, чтобы увеличить данный параметр, необходимо понизить ЯС устройства. Это может
быть сделано, увеличивая уровни легирования и уменьшая размера устройства. Уменьшение емкостей служит основой для повышения скоростных возможностей приборов, выполненных по КНИ технологии. С этой точки зрения технология КНИ — перспективная платформа, так как она позволяет масштабировать площадь поперечного сечения волновода до субмикронных размеров из-за высокого контраста показателя преломления между кремнием и его окисью (Дя ~ 2) [5, 6], что положительным образом скажется на существенном уменьшении емкости модулятора.
Исходя из экспериментальных данных, и на основе компьютерного моделирования в данной работе анализируются методы оптимизации параметров фазовых КНИ модуляторов, которые потенциально позволят реализовать высокоэффективную фазовую модуляцию с полосой модуляции порядка 100 ГГц.
1. ВОЛНОВОДНЫЙ КНИ
ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР
Волноводный КНИ фазовый модулятор основан на следующем физическом принципе. Приложенное к модулятору напряжение вызывает изменение показателя преломления волновода, когда в присутствии свободных зарядов показатель преломления волновода изменяется в результате дисперсионного эффекта связанного со свободными плазмонами [5, 7]. Модулятор выполнен на основе гребенчатого волновода. Структурная схема модулятора представлена на рис. 1.
В рассматриваемом устройстве фазовый сдвиг Дф, возникающий в результате изменения управ-
г
©-"X
Рис. 1. Схема волноводного КНИ фазового модулятора: 1 — подложка; 2 — область кремния п-типа с толщиной Н0; 3 — погруженный окисел кремния с толщиной Н¿; 4 — область кремнияр-типа с высотой к и шириной Ж; 5 — характерное распределение поля оптического пучка, распространяющегося вдоль оси г; 6 — затвор из тонкого слоя окиси кремния толщиной ?ох, которая составляет несколько нанометров; 7 — металлические контактные площадки; 8 и 9 — области окиси кремния для обеспечения оптического ограничения.
ляющего напряжения Ца, апроксимируется эмпирическим выражением (Дф в единицах я) [4]:
Дф = кф(иа - ирв - и,)Ь,
(1)
где кф — подгоночный параметр фазового сдвига, учитывающий топологию волноводной структуры, Ь — длина модулятора вдоль оси г, Црв — напряжение плоских зон КНИ структуры, Ц — тепловой потенциал КНИ структуры.
Уменьшение длины модулятора Ь приводит к существенному снижению величины фазового сдвига, которое частично можно компенсировать масштабированием поперечного сечения волновода и повышением уровня При напряжениях Ц(1 близких напряжению плоских зон практически невозможно реализовать фазовую модуляцию. Это согласуется с условием изменения плотности заряда ДQe (для электронов) и (для дырок), определяемое уровнем смещения которое можно оценить следующим соотношением:
Д^е.Н} =
е 0е о
-иий - ирв - ир),
(2)
где б 0 и бох — вакуумная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая проницаемость окиси
кремния, q — заряд электрона, ? — эффективная толщина зарядового слоя, сравнимая с Из данного соотношения видно, что при управляющих напряжениях сравнимых с физическими особенностями КНИ структур плотность свободных зарядов стремиться к нулю и тем самым не происходит значимого изменение показателя преломления волновода.
Однако в любом случае уменьшение латерального размера модулятора влечет пропорциональное увеличение напряжения питания для сохранения эквивалентного сдвига фазы.
На основе классической работы Софера и Бен-нетта [7] можно получить эмпирические соотношения между достигаемым изменением реальной части показателя преломления Ап и возникающим при этом дополнительным поглощением Аа на свободных носителях. Для длины волны света в кремнии X = 1550 нм эти соотношения сводятся к виду:
Ше = 1.14 х 1021 \Аие\,
Шн = 2.18 х 1021 \Апк\5/4, Дае = 0.12\Апе\,
ДаА = 0.16 |Дий|5/4.
(3)
При этом считаем, что общее изменение комплексного показателя преломления за счет дисперсии
386
МАСАЛЬСКИЙ
Таблица 1. Физические параметры КНИ волноводной структуры
Параметр Значение
Длина волны света в вакууме, нм 1550
Температура, К 298
Показатель преломления кремния 3.47
Показатель преломления поликремния 3.45
Показатель преломления окиси кремния 1.43
Базовый уровень легирования кремния, см-3 1 х 1015
Подвижность электронов, см2 (В с)-1 700
Подвижность дырок, см2 (В с)-1 300
Коэффициент абсорбции электронов, дБ/см 7.4
Коэффициент абсорбции дырок, дБ/см 2.6
Напряжение плоских зон, В 1.25
света на свободных носителях подчиняется следующему выражению
•л
Ап = Апе + Апк + — (Да е + Да к) 4п
(4)
Уравнения (1)—(4) полностью характеризуют взаимосвязь оптических и полупроводниковых свойства волноводной структуры фазового модулятора при произвольных приращениях действительной части показателя преломления вследствие присутствия свободных носителей, что позволяет осуществить поиск оптимальных параметров вол-новодных структур (например, начиная со случая
Д0е = Д^, тогда Дпе = 0.16\Дпк ), а затем из выражения (3) определить необходимую для этого концентрацию свободных носителей.
С точки зрения ЯС-частоты отсечки малосигнальный переходной отклик определяет возможность устройства для высоко скоростной модуляции [2, 3]. Поскольку время отклика устройства определяется его емкостью, то в рассматриваемой конфигурации данную емкость можно оценить исходя из выражения:
(
С = кС
,1/2
(5)
ч2(МЛ + Кв)(и, - иРВ - ир),
где кС — подгоночный параметр емкости, зависящий от топологии модулятора, б — диэлектрическая проницаемость кремния, Йл — концентрация акцепторов, N — концентрация доноров.
Для определения области допустимых значений топологических параметров необходимо удовлетворить ряду критериев, которые вытекают из физических ограничений, технологических и конструкционных требований [2, 4]. (1) Анализируемые устройства отвечают требованиям и ограничениям стандартного КНИ техпроцесса с топологи-
ческими нормами 0.5 мкм. (2) Волноводные структуры являются одномодовыми, поддерживающими только моду ТЕ-поляризации и относительная глубина Н/Н меньше 0.44, где И = Н0 + Н. (3) Напряжение питания не может превышать напряжение пробоя затвора. (4) Фазовый модулятор должен обеспечивать величину фазового сдвига не менее я/ 2.
Полученные результаты определяют основные ограничения при выборе топологических и электрических параметров модулятора.
Следует отметить, что в своих исследованиях мы не рассматриваем вопросы согласования фотонного устройства с ВЧ-трактом и считаем, что данные требования выполнены во всем рассматриваемом частотном диапазоне.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Как отмечалось, одним из главных параметров рассматриваемых фотонных структур является полоса модуляции. Для ее расчета моделируется переходной процесс в фазовом модуляторе, где вычисляется временная зависимость плотности индуцированного заряда на границе раздела окисел/кремний. Поскольку в процессе переключения происходит изменение зарядов, а процесс перезарядки требует затрат времени, то если удается снизить величину емкости и сохранить переключающие свойства элемента, тогда в результате уменьшаются времена переключения. В результате можно достичь одновременно уменьшения напряжения питания и повышения быстродействия.
Моделирование характеристик КНИ фазовращателя осуществляется при помощи совместного решения уравнений Пуассона и непрерывности для расчета распределения электронов и дырок в исследуемой структуре, а также уравнения Максвелла, которое описывает распространение оптического пучка через гребенчатый волновод. Для моделирования распределения носителей использовался пакет моделирования 8Цуаео [7], оптические характеристики вычислялись методом распространяющихся пучков, реализованным в коммерческой программе ВеатРЯОР [8].
В табл. 1 приведены основные электрические и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.