सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय घटक

फोटोनिक्स सक्रिय घटक म्हणजे विशेषतः प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील हेतुपुरस्सर रचलेल्या गतिशील आंतरक्रिया. फोटोनिक्सचा एक सामान्य सक्रिय घटक म्हणजे ऑप्टिकल मॉड्युलेटर. सध्याचे सर्व सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्युलेटरप्लाझ्मा फ्री कॅरियर इफेक्टवर आधारित आहेत. डोपिंग, इलेक्ट्रिकल किंवा ऑप्टिकल पद्धतींनी सिलिकॉन मटेरियलमधील मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि होलची संख्या बदलल्यास त्याचा कॉम्प्लेक्स रिफ्रॅक्टिव्ह इंडेक्स बदलू शकतो, ही प्रक्रिया 1550 नॅनोमीटरच्या तरंगलांबीवर सोरेफ आणि बेनेट यांच्या डेटाला फिट करून मिळवलेल्या समीकरण (1,2) मध्ये दर्शविली आहे. इलेक्ट्रॉनच्या तुलनेत, होल वास्तविक आणि काल्पनिक रिफ्रॅक्टिव्ह इंडेक्स बदलांचा मोठा भाग घडवतात, म्हणजेच, ते दिलेल्या लॉस बदलासाठी मोठा फेज बदल निर्माण करू शकतात, म्हणूनमाख-झेहंडर मॉड्युलेटरआणि रिंग मॉड्युलेटरमध्ये, बनवण्यासाठी सहसा छिद्रे वापरणे पसंत केले जाते.फेज मॉड्युलेटर.

विविधसिलिकॉन (Si) मॉड्युलेटरआकृती 10A मध्ये प्रकार दाखवले आहेत. कॅरियर इंजेक्शन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाश एका अतिशय रुंद pn जंक्शनमधील इंट्रिन्सिक सिलिकॉनमध्ये असतो आणि इलेक्ट्रॉन व होल इंजेक्ट केले जातात. तथापि, असे मॉड्युलेटर मंद असतात, साधारणपणे 500 MHz बँडविड्थसह, कारण इंजेक्शननंतर मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि होल यांना पुन्हा एकत्र येण्यास जास्त वेळ लागतो. म्हणून, ही रचना मॉड्युलेटरऐवजी अनेकदा व्हेरिएबल ऑप्टिकल अॅटेन्युएटर (VOA) म्हणून वापरली जाते. कॅरियर डिप्लेशन मॉड्युलेटरमध्ये, प्रकाशाचा भाग एका अरुंद pn जंक्शनमध्ये असतो आणि लागू केलेल्या इलेक्ट्रिक फील्डद्वारे pn जंक्शनची डिप्लेशन रुंदी बदलली जाते. हा मॉड्युलेटर 50Gb/s पेक्षा जास्त वेगाने कार्य करू शकतो, परंतु त्यात उच्च बॅकग्राउंड इन्सर्शन लॉस असतो. सामान्य vpil 2 V-cm असतो. मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (MOS) (प्रत्यक्षात सेमीकंडक्टर-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) मॉड्युलेटरमध्ये pn जंक्शनमध्ये एक पातळ ऑक्साइड थर असतो. हे काही प्रमाणात वाहक संचयनास तसेच वाहक क्षयास अनुमती देते, ज्यामुळे सुमारे ०.२ V-cm इतके कमी VπL शक्य होते, परंतु यात जास्त प्रकाशीय हानी आणि प्रति एकक लांबी जास्त धारकता हे तोटे आहेत. याव्यतिरिक्त, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्रधातू) च्या बँड एज हालचालीवर आधारित SiGe विद्युत शोषण मॉड्युलेटर आहेत. तसेच, ग्राफीन मॉड्युलेटर आहेत जे शोषक धातू आणि पारदर्शक विसंवाहकांमध्ये स्विच करण्यासाठी ग्राफीनवर अवलंबून असतात. हे उच्च-गती, कमी-हानीचे प्रकाशीय सिग्नल मॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी वेगवेगळ्या यंत्रणांच्या उपयोगांमधील विविधता दर्शवतात.

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

आकृती 10B मध्ये अनेक सिलिकॉन-आधारित प्रकाश डिटेक्टर दाखवले आहेत. शोषक पदार्थ जर्मेनियम (Ge) आहे. Ge सुमारे 1.6 मायक्रॉन पर्यंतच्या तरंगलांबीवर प्रकाश शोषण्यास सक्षम आहे. डावीकडे आजची सर्वात व्यावसायिकदृष्ट्या यशस्वी पिन संरचना दाखवली आहे. ती P-प्रकारच्या डोप केलेल्या सिलिकॉनपासून बनलेली आहे, ज्यावर Ge वाढतो. Ge आणि Si मध्ये 4% लॅटिस मिसमॅच आहे, आणि डिसलोकेशन कमी करण्यासाठी, प्रथम बफर लेयर म्हणून SiGe चा एक पातळ थर वाढवला जातो. Ge थराच्या वर N-प्रकारचे डोपिंग केले जाते. मध्यभागी एक मेटल-सेमीकंडक्टर-मेटल (MSM) फोटोडायोड आणि एक APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) उजवीकडे दाखवले आहे. APD मधील अव्हॅलेंच क्षेत्र Si मध्ये स्थित आहे, ज्याची नॉईज वैशिष्ट्ये ग्रुप III-V मूलद्रव्यीय पदार्थांमधील अव्हॅलेंच क्षेत्राच्या तुलनेत कमी आहेत.

सध्या, सिलिकॉन फोटोनिक्समध्ये ऑप्टिकल गेन समाकलित करण्यासाठी स्पष्ट फायदे असलेले कोणतेही उपाय उपलब्ध नाहीत. आकृती ११ मध्ये असेम्ब्ली स्तरानुसार आयोजित केलेले अनेक संभाव्य पर्याय दाखवले आहेत. सर्वात डावीकडे मोनोलिथिक इंटिग्रेशन्स आहेत, ज्यामध्ये ऑप्टिकल गेन मटेरियल म्हणून एपिटॅक्सिअली वाढवलेल्या जर्मेनियमचा (Ge) वापर, अर्बियम-डोप्ड (Er) ग्लास वेव्हगाईड्स (जसे की Al2O3, ज्याला ऑप्टिकल पंपिंगची आवश्यकता असते), आणि एपिटॅक्सिअली वाढवलेले गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) क्वांटम डॉट्स यांचा समावेश आहे. पुढचा स्तंभ वेफर-टू-वेफर असेम्ब्ली आहे, ज्यामध्ये III-V ग्रुप गेन क्षेत्रात ऑक्साइड आणि ऑरगॅनिक बॉन्डिंगचा समावेश आहे. त्यानंतरचा स्तंभ चिप-टू-वेफर असेम्ब्ली आहे, ज्यामध्ये III-V ग्रुप चिपला सिलिकॉन वेफरच्या कॅव्हिटीमध्ये एम्बेड करणे आणि नंतर वेव्हगाईड स्ट्रक्चरवर मशीनिंग करणे समाविष्ट आहे. या पहिल्या तीन-स्तंभीय दृष्टिकोनाचा फायदा हा आहे की डिव्हाइसला कापण्यापूर्वी वेफरच्या आत पूर्णपणे कार्यात्मक चाचणी केली जाऊ शकते. सर्वात उजवीकडील स्तंभ चिप-टू-चिप असेंब्लीचा आहे, ज्यामध्ये सिलिकॉन चिप्सचे III-V ग्रुप चिप्सशी थेट जोडणी, तसेच लेन्स आणि ग्रेटिंग कपलरद्वारे जोडणी यांचा समावेश आहे. व्यावसायिक अनुप्रयोगांचा कल आलेखाच्या उजवीकडून डावीकडे, अधिक एकात्मिक आणि एकत्रित समाधानांच्या दिशेने सरकत आहे.

आकृती ११: सिलिकॉन-आधारित फोटोनिक्समध्ये ऑप्टिकल गेन कसे समाकलित केले जाते. डावीकडून उजवीकडे जाताना, उत्पादन अंतर्भूती बिंदू प्रक्रियेत हळूहळू मागे सरकतो.