GeSi/Ge電吸收調制器

  在硅光芯片中，通常利用Si材料的等離子體色散效應(plasma dispesion effect), 借助于電學結構使得光波導中載流子的濃度發生變化，進而引起有效折射率的變化，借助于MZI或者微環等結構，使得光的強度發生變化。典型的耗盡型MZI型調制器，其長度在毫米量級，這一尺寸在transceiver領域還可以接受。但是對于未來的大規模集成光路(large scale PIC)，必須尋找尺寸更小的調制器結構?；贕eSi/Ge的電吸收調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，這也是為什么硅光芯片中采用Ge作為光探測器。而Ge材料作為電吸收調制器，主要是基于Franz-Keldysh效應(以下簡稱FK效應)。在外加電場作用下，能帶發生傾斜，使得有效的帶隙變小，價帶電子躍遷到導帶的幾率大大增加。

  (圖片來自文獻1)

  從上圖中可以看出，FK效應主要作用于能量略低于帶隙的光子，在外加電場的作用下，其吸收系數增加。通過調節外加電場的大小，可以調節光的強度，也就是所謂的電吸收調制(electro-absorption modulation)。由于FC效應的響應時間在亞皮秒量級，EAM的帶寬主要受限于RC，典型的3dB帶寬在30GHz以上。

  Ge材料gama點處的帶隙為0.8eV, 但由于應力的作用，在Si波導上生長的Ge材料的帶隙為0.77eV,對應波長為1610nm。這也是基于Ge的EAM工作波長位于L波段，而不是C波段。通過引入較小比例的Si，形成GeSi合金，可以將工作波長調節到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，而目前數據中心光模塊的工作波長都是在O波段，這點限制了EAM型調制器在數據中心的應用，這也是Mellanox公司放棄其1550nm產品線的原因之一。

  Ge EAM調制器的典型結構如下圖所示，采用橫向的pin型結構，

  (圖片來自文獻2)

  通過設計doing profile以及波導結構，使得光場與電場之間發生有效地交疊。文獻2中，零偏壓時的電場強度為9.8kV/cm, 而-2V時的電場強度變為56kV/cm。其吸收譜曲線如下圖所示，電壓增大后，吸收系數增大(有點類似VOA)。

  (圖片來自文獻2)

  Ge EAM和Ge PD的結構非常相似，小豆芽一開始有些困惑。主要的區別有以下幾點：

  1)工作波長，受FK效應的限制，EAM的光學帶寬非常小，且工作波長位于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，區別在于Ge PD的偏壓不需要調節，而Ge EAM需要反復切換電壓，以達到對光信號的調制。

  3) 光電流，在Ge EAM也會產生光電流，它是EAM靜態功耗的主要來源。而對于Ge PD, 光電流信號是需要采集的有效信號。

  下表給出了Ge EAM的最新進展，

  (圖片來自文獻3)

  從上表可以看出，Ge EAM的尺寸非常小，長度只需要幾十微米，工作波長在1550nm以上，其工作電壓在3V左右，3dB帶寬可以達到56GHz，功耗較低。因此小豆芽覺得，對于大規模集成光路，對單個器件的尺寸與功耗要求比較高，此時EAM或許有用武之地。

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

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

  以上是對Ge EAM的簡單整理，小豆芽相信隨著PIC規模的逐漸擴大，Ge EAM必將在硅基集成光路中扮演非常重要的角色。