Численный расчет коэффициента преломления в квантовых ямах на ос-нове Ge/SiGe для проектирования модуляторов Маха-Цендера
Хазанова С.В.1, Бобров А.И.2, Горшков А.П. 1, Сидоренко К.В. 1, Панфилов А.С.1
1ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
2НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
С бурным развитием оптической связи фотонные интегральные схемы играют все боль-шую роль в информационной индустрии. Кремниевая фотонная интеграция считается отличной платформой для передачи данных благодаря хорошо отработанной комплементарной оксид ме-талл-полупроводник технологии (КМОП). Кремниевая фотоника имеет хорошие возможности для обеспечения производительности, цены и объем производства высокоскоростных модуля-торов будущих оптических линий связи. Кроме того, в последнее время большой интерес полу-чили и другие материалы группы IV. Фотоника на основе Ge может рассматриваться как одна из наиболее перспективных схем для достижения интегральной монолитности активных оптиче-ских устройств.
Для соединений центров обработки данных наиболее широко используется архитектура модулятора Маха – Цендера (ММЦ), при этом ММЦ предназначен для модуляции как синфаз-ной, так и квадратурной компоненты сигнала. Принцип этого устройства основан на использо-вании квантово-размерного эффекта Штарка, путем воздействия на коэффициент поглощения гетероструктур электрическим полем. В настоящее время для реализации данных эффектов мо-гут быть использованы и полупроводники с прямой запрещенной зоной III – V, которые широко используются в настоящее время для дальней и средне-дальней связи. Несмотря на то, что Ge является непрямозонным полупроводником, посредством деформации и легирования характер перехода может стать более прямозонным [1]. Кроме того, большая вариация поглощения мо-жет быть реализована путем формирования Ge квантовых ям. В ряде работ сообщалось об эффективном изменении показателя преломления (1,3 × 10−3) с помощью множественных Ge/SiGe квантовых ям. При этом электрооптические характеристики могут быть заметно улучшены за счет создания структур с туннельно-связанными квантовыми ямами (ТСКЯ). Так, в [2] продемонcтрирована работа волноводного модулятора с асимметричными Ge/SiGe ТСКЯ, который может быть реализован как для модуляции интенсивности, так и фазовой модуляции при низком напряжении смещения в кремниевой фотонной интеграции.
В данной работе с помощью алгоритма самосогласованного решения уравнений Шредин-гера и Пуассона, было получено перераспределение электронной плотности в системах ТСКЯ, обусловленное явлением квантово-размерного эффекта Штарка. На основе рассчитанных энер-гий размерного квантования и огибающих волновых функций получена мнимая часть диэлек-трической проницаемости как результат сложения межзонного и экситонного вкладов. Расчет энергии связи и боровского радиуса экситона проведен вариационным методом.
Используя полученные спектры поглощения в достаточно широком диапазоне длин волн (900 – 1800 нм), с помощью соотношения Крамерса-Кронига, получены спектры изменения по-казателя преломления под действием обратного смещения на длине волны 1550 нм.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № FSWR-2022-0007.
1. K. Guilloy, N. Pauc, A. Gassenq, et al., ACS Photonics, v. 3, p. 1907, 2016
2. Yi Zhang, Jianfeng Gao, Senbiao Qin et al, Nanophotonics, 10(6), 1765, 2021