सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

फोटोनिक्स सक्रिय घटक विशेषतः प्रकाश आणि पदार्थांमधील जाणूनबुजून डिझाइन केलेल्या गतिमान परस्परसंवादांचा संदर्भ घेतात. फोटोनिक्सचा एक विशिष्ट सक्रिय घटक म्हणजे ऑप्टिकल मॉड्युलेटर. सर्व वर्तमान सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्युलेटरप्लाझ्मा मुक्त वाहक परिणामावर आधारित आहेत. डोपिंग, इलेक्ट्रिकल किंवा ऑप्टिकल पद्धतींनी सिलिकॉन पदार्थातील मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांची संख्या बदलल्याने त्याचा जटिल अपवर्तन निर्देशांक बदलू शकतो, ही प्रक्रिया समीकरणे (1,2) मध्ये दर्शविली आहे जी सोरेफ आणि बेनेटकडून 1550 नॅनोमीटरच्या तरंगलांबीवर डेटा बसवून मिळवली जाते. इलेक्ट्रॉनच्या तुलनेत, छिद्र वास्तविक आणि काल्पनिक अपवर्तन निर्देशांक बदलांचे मोठे प्रमाण निर्माण करतात, म्हणजेच, ते दिलेल्या नुकसान बदलासाठी मोठा फेज बदल निर्माण करू शकतात, म्हणूनमॅक-झेंडर मॉड्युलेटरआणि रिंग मॉड्युलेटर, सहसा छिद्रे वापरण्यास प्राधान्य दिले जातेफेज मॉड्युलेटर.

विविधसिलिकॉन (Si) मॉड्युलेटरप्रकार आकृती १०अ मध्ये दाखवले आहेत. कॅरियर इंजेक्शन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाश एका अतिशय रुंद पिन जंक्शनमध्ये अंतर्गत सिलिकॉनमध्ये स्थित असतो आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे इंजेक्ट केली जातात. तथापि, असे मॉड्युलेटर हळू असतात, सामान्यत: ५०० मेगाहर्ट्झच्या बँडविड्थसह, कारण इंजेक्शननंतर मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे पुन्हा एकत्रित होण्यास जास्त वेळ घेतात. म्हणून, ही रचना बहुतेकदा मॉड्युलेटरऐवजी व्हेरिएबल ऑप्टिकल अॅटेन्युएटर (VOA) म्हणून वापरली जाते. कॅरियर डिप्लेशन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाश भाग एका अरुंद pn जंक्शनमध्ये स्थित असतो आणि pn जंक्शनची डिप्लेशन रुंदी लागू केलेल्या विद्युत क्षेत्राद्वारे बदलली जाते. हे मॉड्युलेटर ५०Gb/s पेक्षा जास्त वेगाने ऑपरेट करू शकते, परंतु त्यात उच्च पार्श्वभूमी इन्सर्शन लॉस आहे. सामान्य vpil २ V-cm आहे. मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (MOS) (प्रत्यक्षात सेमीकंडक्टर-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) मॉड्युलेटरमध्ये pn जंक्शनमध्ये एक पातळ ऑक्साइड थर असतो. हे काही वाहक संचय तसेच वाहक क्षय होण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे सुमारे 0.2 V-cm कमी VπL मिळते, परंतु प्रति युनिट लांबी जास्त ऑप्टिकल लॉस आणि जास्त कॅपेसिटन्सचा तोटा आहे. याव्यतिरिक्त, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बँड एज हालचालीवर आधारित SiGe इलेक्ट्रिकल अवशोषण मॉड्युलेटर आहेत. याव्यतिरिक्त, असे ग्राफीन मॉड्युलेटर आहेत जे शोषक धातू आणि पारदर्शक इन्सुलेटरमध्ये स्विच करण्यासाठी ग्राफीनवर अवलंबून असतात. हे उच्च-गती, कमी-तोटा ऑप्टिकल सिग्नल मॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी वेगवेगळ्या यंत्रणांच्या अनुप्रयोगांची विविधता दर्शवितात.

आकृती १०: (अ) विविध सिलिकॉन-आधारित ऑप्टिकल मॉड्युलेटर डिझाइन्सचे क्रॉस-सेक्शनल आकृती आणि (ब) ऑप्टिकल डिटेक्टर डिझाइन्सचे क्रॉस-सेक्शनल आकृती.

आकृती १० ब मध्ये अनेक सिलिकॉन-आधारित प्रकाश शोधक दाखवले आहेत. शोषक पदार्थ जर्मेनियम (Ge) आहे. Ge सुमारे १.६ मायक्रॉन पर्यंत तरंगलांबींवर प्रकाश शोषण्यास सक्षम आहे. डावीकडे आजची सर्वात व्यावसायिकदृष्ट्या यशस्वी पिन रचना दर्शविली आहे. ती P-प्रकारच्या डोपेड सिलिकॉनपासून बनलेली आहे ज्यावर Ge वाढते. Ge आणि Si मध्ये ४% जाळीची जुळवाजुळव कमी करण्यासाठी, SiGe चा एक पातळ थर प्रथम बफर थर म्हणून वाढवला जातो. Ge थराच्या वरच्या बाजूला N-प्रकारचे डोपिंग केले जाते. मध्यभागी एक धातू-अर्धवाहक-धातू (MSM) फोटोडायोड दाखवला आहे आणि एक APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) उजवीकडे दाखवले आहे. APD मधील हिमस्खलन प्रदेश Si मध्ये स्थित आहे, ज्यामध्ये गट III-V मूलभूत पदार्थांमधील हिमस्खलन प्रदेशाच्या तुलनेत कमी आवाज वैशिष्ट्ये आहेत.

सध्या, सिलिकॉन फोटोनिक्ससह ऑप्टिकल गेन एकत्रित करण्यासाठी कोणतेही स्पष्ट फायदे असलेले उपाय नाहीत. आकृती ११ असेंब्ली लेव्हलनुसार आयोजित केलेले अनेक संभाव्य पर्याय दर्शविते. अगदी डावीकडे मोनोलिथिक इंटिग्रेशन आहेत ज्यात ऑप्टिकल गेन मटेरियल म्हणून एपिटॅक्सिली ग्रोव्हन जर्मेनियम (Ge), एर्बियम-डोपेड (Er) ग्लास वेव्हगाइड्स (जसे की Al2O3, ज्याला ऑप्टिकल पंपिंग आवश्यक आहे), आणि एपिटॅक्सिली ग्रोव्हन गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) क्वांटम डॉट्सचा वापर समाविष्ट आहे. पुढील कॉलम वेफर टू वेफर असेंब्ली आहे, ज्यामध्ये III-V ग्रुप गेन क्षेत्रातील ऑक्साईड आणि ऑर्गेनिक बाँडिंग समाविष्ट आहे. पुढील कॉलम चिप-टू-वेफर असेंब्ली आहे, ज्यामध्ये III-V ग्रुप चिपला सिलिकॉन वेफरच्या पोकळीत एम्बेड करणे आणि नंतर वेव्हगाइड स्ट्रक्चर मशीन करणे समाविष्ट आहे. या पहिल्या तीन कॉलम दृष्टिकोनाचा फायदा असा आहे की कापण्यापूर्वी डिव्हाइस वेफरच्या आत पूर्णपणे कार्यक्षमतेने तपासले जाऊ शकते. सर्वात उजवीकडील कॉलम चिप-टू-चिप असेंब्ली आहे, ज्यामध्ये सिलिकॉन चिप्सचे III-V ग्रुप चिप्सशी थेट जोडणी, तसेच लेन्स आणि ग्रेटिंग कप्लर्सद्वारे जोडणी समाविष्ट आहे. व्यावसायिक अनुप्रयोगांकडे कल चार्टच्या उजवीकडून डावीकडे अधिक एकात्मिक आणि एकात्मिक उपायांकडे सरकत आहे.

आकृती ११: सिलिकॉन-आधारित फोटोनिक्समध्ये ऑप्टिकल गेन कसे एकत्रित केले जाते. तुम्ही डावीकडून उजवीकडे जाता तेव्हा, प्रक्रियेत उत्पादन समाविष्टीकरण बिंदू हळूहळू मागे सरकतो.