科研进展简报

基于单轴张应变锗/硅锗多量子阱的电吸收调制器的设计与分析

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:光电子器件与集成功能实验室    发布时间:2017年05月11日

        由于功耗和带宽严重制约了大规模集成电路的发展,片上光互连已被认为是一种有潜力的发展途径。硅光子学是最适合于把光学器件和电子器件集成在一起的平台,但是却受到有源器件的制约。锗和硅锗合金材料近来受到越来越多的关注。这是由于锗的直接带隙能量对应的波长处在C波段,而间接带隙的L谷带边只比直接带隙的Γ谷低140毫电子伏。研究者们已经提出并发展了多种CMOS兼容的方法来改变锗相关材料的能带结构,包括锗/硅锗量子阱,悬空锗微结构和锗锡合金。在硅基调制器领域,锗/硅锗量子阱电吸收调制器具有尺寸小和功耗低等优势。由于量子限制效应,锗/硅锗量子阱的直接带隙吸收边能量值比锗体材料要大,之前的10nm宽锗量子阱在零偏压下的工作波长在1420nm。虽然吸收边可以通过施加不同的偏压来调控,但是吸收对比度也随着偏压的增加而劣化。较高的偏置电压也不适合于大规模集成。因而,锗/硅锗多量子阱电吸收调制器的工作波长是受限的。

        武汉光电国家实验室光电子器件与集成功能实验室孙军强教授带领博士生高建峰等人提出了一种基于单轴张应变锗/硅锗多量子阱的电吸收调制器方案。该方案极大地拓宽了锗/硅锗多量子阱的电吸收调制器的工作波长范围,而且能够提高TE模式的吸收对比度。通过引入0.18%-1.6%的单轴张应变,可以在10/12nm Ge/Si0.19Ge0.81 芯片上制作覆盖1380-1550nm波长范围的零偏压电吸收调制器。对于波导应用,单轴张应变的锗/硅锗量子阱具有增强的TE吸收对比度和受抑制的TM吸收。在1.6%的单轴张应变和0V/2V工作电压情况下,TE吸收对比度提高了3.1dB而TM吸收系数减小了三分之二。TE吸收对比度的提高和较宽的工作波长范围使得该器件非常适合于波导集成和高效率调制应用。

        2017年5月2日,该研究成果“Design and analysis of electro-absorption modulators with uniaxially stressed Ge/SiGe multiple quantum wells”发表在OSA旗下期刊Optics Express(Vol.25, No.10, PP. 10874-10884, 2017)杂志。该项研究得到国家自然科学基金(61435004)的资助。

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图 (a) Ge/SiGe多量子阱结构. (b) 基于悬空微桥的电吸收调制器结构示意图.  (c)应变张量元εxx立体分布图. (d) 离缓冲层150nm的xy平面应变张量元εxx分布图. (e) 1550nm波长下的准TE基模的模场分量Ey分布图.