सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

फोटोनिक्स सक्रिय घटक विशेषत: प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील हेतुपुरस्सर डिझाइन केलेल्या डायनॅमिक परस्परसंवादाचा संदर्भ देतात. फोटोनिक्सचा एक सामान्य सक्रिय घटक ऑप्टिकल मॉड्युलेटर आहे. सर्व वर्तमान सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्युलेटरप्लाझ्मा मुक्त वाहक प्रभावावर आधारित आहेत. डोपिंग, इलेक्ट्रिकल किंवा ऑप्टिकल पद्धतींद्वारे सिलिकॉन सामग्रीमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांची संख्या बदलल्याने त्याचा जटिल अपवर्तक निर्देशांक बदलू शकतो, ही प्रक्रिया 1550 नॅनोमीटरच्या तरंगलांबीवर सोरेफ आणि बेनेटकडून डेटा बसवून प्राप्त केलेल्या समीकरणांमध्ये (1,2) दर्शविली जाते. . इलेक्ट्रॉनच्या तुलनेत, छिद्रांमुळे वास्तविक आणि काल्पनिक अपवर्तक निर्देशांकातील बदल मोठ्या प्रमाणात होतात, म्हणजेच ते दिलेल्या नुकसानाच्या बदलासाठी मोठ्या टप्प्यातील बदल घडवून आणू शकतात, त्यामुळेमॅच-झेहेंडर मॉड्युलेटरआणि रिंग मॉड्युलेटर, बनवण्यासाठी छिद्रे वापरण्यास प्राधान्य दिले जातेफेज मॉड्युलेटर.

विविधसिलिकॉन (Si) मॉड्युलेटरप्रकार आकृती 10A मध्ये दाखवले आहेत. वाहक इंजेक्शन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाश अतिशय रुंद पिन जंक्शनमध्ये अंतर्गत सिलिकॉनमध्ये स्थित असतो आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे इंजेक्ट केली जातात. तथापि, असे मॉड्युलेटर हळू असतात, विशेषत: 500 MHz च्या बँडविड्थसह, कारण मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे इंजेक्शननंतर पुन्हा एकत्र होण्यास जास्त वेळ घेतात. म्हणून, ही रचना मोड्युलेटरऐवजी व्हेरिएबल ऑप्टिकल ॲटेन्युएटर (VOA) म्हणून वापरली जाते. कॅरियर डिप्लेशन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाशाचा भाग अरुंद पीएन जंक्शनमध्ये स्थित असतो आणि पीएन जंक्शनची कमी होणारी रुंदी लागू विद्युत क्षेत्राद्वारे बदलली जाते. हा मॉड्युलेटर 50Gb/s पेक्षा जास्त वेगाने काम करू शकतो, परंतु पार्श्वभूमी घालण्याचे प्रमाण जास्त आहे. ठराविक vpil 2 V-cm आहे. मेटल ऑक्साईड सेमीकंडक्टर (एमओएस) (वास्तविक सेमीकंडक्टर-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) मॉड्युलेटरमध्ये पीएन जंक्शनमध्ये पातळ ऑक्साईड थर असतो. हे काही वाहक संचयित होण्यास तसेच वाहक कमी होण्यास अनुमती देते, सुमारे 0.2 V-cm च्या लहान VπL ला अनुमती देते, परंतु प्रति युनिट लांबी जास्त ऑप्टिकल नुकसान आणि उच्च कॅपॅसिटन्सचा तोटा आहे. याव्यतिरिक्त, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बँड एज मूव्हमेंटवर आधारित SiGe इलेक्ट्रिकल शोषण मॉड्यूलेटर आहेत. याव्यतिरिक्त, शोषक धातू आणि पारदर्शक विद्युतरोधक यांच्यात स्विच करण्यासाठी ग्राफीनवर अवलंबून असलेले ग्राफीन मॉड्युलेटर आहेत. हे हाय-स्पीड, कमी-नुकसान ऑप्टिकल सिग्नल मॉड्युलेशन प्राप्त करण्यासाठी विविध यंत्रणांच्या अनुप्रयोगांची विविधता दर्शवतात.

आकृती 10: (A) विविध सिलिकॉन-आधारित ऑप्टिकल मॉड्युलेटर डिझाइनचे क्रॉस-सेक्शनल आकृती आणि (B) ऑप्टिकल डिटेक्टर डिझाइनचे क्रॉस-सेक्शनल आकृती.

अनेक सिलिकॉन-आधारित लाइट डिटेक्टर आकृती 10B मध्ये दर्शविले आहेत. शोषक सामग्री जर्मेनियम (Ge) आहे. Ge सुमारे 1.6 मायक्रॉनपर्यंत तरंगलांबीवरील प्रकाश शोषण्यास सक्षम आहे. डावीकडे दाखवलेली आजची सर्वात व्यावसायिकदृष्ट्या यशस्वी पिन रचना आहे. हे पी-टाइप डोपड सिलिकॉनचे बनलेले आहे ज्यावर Ge वाढतो. Ge आणि Si मध्ये 4% जाळी जुळत नाही, आणि विस्थापन कमी करण्यासाठी, SiGe चा पातळ थर प्रथम बफर लेयर म्हणून वाढवला जातो. एन-टाइप डोपिंग जीई लेयरच्या शीर्षस्थानी केले जाते. मेटल-सेमिकंडक्टर-मेटल (एमएसएम) फोटोडिओड मध्यभागी दर्शविला आहे आणि एक APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) उजवीकडे दर्शविले आहे. APD मधील हिमस्खलन प्रदेश Si मध्ये स्थित आहे, ज्यामध्ये गट III-V मूलभूत सामग्रीमधील हिमस्खलन प्रदेशाच्या तुलनेत कमी आवाजाची वैशिष्ट्ये आहेत.

सध्या, सिलिकॉन फोटोनिक्ससह ऑप्टिकल गेन एकत्रित करण्याच्या स्पष्ट फायद्यांसह कोणतेही उपाय नाहीत. आकृती 11 असेंब्ली स्तरानुसार आयोजित केलेले अनेक संभाव्य पर्याय दाखवते. अगदी डावीकडे मोनोलिथिक इंटिग्रेशन्स आहेत ज्यात एपिटॅक्सली वाढलेले जर्मेनियम (Ge) ऑप्टिकल गेन मटेरियल म्हणून वापरणे, एर्बियम-डोपड (Er) ग्लास वेव्हगाइड्स (जसे की Al2O3, ज्याला ऑप्टिकल पंपिंग आवश्यक आहे), आणि एपिटॅक्सली वाढलेले गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) यांचा समावेश आहे. ) क्वांटम डॉट्स. पुढील स्तंभ वेफर टू वेफर असेंबली आहे, ज्यामध्ये III-V गट लाभ क्षेत्रामध्ये ऑक्साईड आणि सेंद्रिय बाँडिंग समाविष्ट आहे. पुढील स्तंभ चिप-टू-वेफर असेंब्ली आहे, ज्यामध्ये सिलिकॉन वेफरच्या पोकळीमध्ये III-V गट चिप एम्बेड करणे आणि नंतर वेव्हगाइड संरचना मशीन करणे समाविष्ट आहे. या पहिल्या तीन कॉलम पध्दतीचा फायदा असा आहे की कापण्यापूर्वी उपकरणाची वेफरच्या आत पूर्ण कार्यक्षम चाचणी केली जाऊ शकते. सर्वात उजवा स्तंभ चिप-टू-चिप असेंब्ली आहे, ज्यामध्ये सिलिकॉन चिप्स ते III-V ग्रुप चिप्सचे थेट कपलिंग, तसेच लेन्स आणि ग्रेटिंग कप्लर्सद्वारे कपलिंग समाविष्ट आहे. व्यावसायिक ऍप्लिकेशन्सचा कल चार्टच्या उजवीकडून डावीकडे अधिक एकात्मिक आणि एकात्मिक उपायांकडे जात आहे.

आकृती 11: सिलिकॉन-आधारित फोटोनिक्समध्ये ऑप्टिकल गेन कसे एकत्रित केले जाते. जसजसे तुम्ही डावीकडून उजवीकडे जाता, तसतसे मॅन्युफॅक्चरिंग इन्सर्शन पॉइंट हळूहळू प्रक्रियेत मागे सरकतो.