научная статья по теме ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СУБМИКРОННОГО КНИ ФОТОННОГО ФАЗОВОГО МОДУЛЯТОРА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНОГО СУБМИКРОННОГО КНИ ФОТОННОГО ФАЗОВОГО МОДУЛЯТОРА»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»