सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

फोटोनिक्स सक्रिय घटक विशेष रूप से प्रकाश और पदार्थ के बीच जानबूझकर डिज़ाइन की गई गतिशील अंतःक्रियाओं को संदर्भित करते हैं। फोटोनिक्स का एक विशिष्ट सक्रिय घटक ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर है। वर्तमान में सभी सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्यूलेटरये प्लाज्मा मुक्त वाहक प्रभाव पर आधारित हैं। डोपिंग, विद्युत या प्रकाशिक विधियों द्वारा सिलिकॉन पदार्थ में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या को बदलकर इसके जटिल अपवर्तक सूचकांक को बदला जा सकता है, यह प्रक्रिया समीकरणों (1,2) में दर्शाई गई है, जो 1550 नैनोमीटर की तरंगदैर्ध्य पर सोरेफ और बेनेट के डेटा को फिट करके प्राप्त की गई हैं। इलेक्ट्रॉनों की तुलना में, छिद्र वास्तविक और काल्पनिक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तनों का एक बड़ा अनुपात उत्पन्न करते हैं, अर्थात्, वे दिए गए हानि परिवर्तन के लिए एक बड़ा चरण परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिएमच-ज़ेन्डर मॉड्यूलेटरऔर रिंग मॉड्यूलेटर में, आमतौर पर छेदों का उपयोग करना बेहतर होता हैफेज मॉड्युलेटर.

विभिन्नसिलिकॉन (Si) मॉड्यूलेटरचित्र 10A में विभिन्न प्रकार दिखाए गए हैं। कैरियर इंजेक्शन मॉड्यूलेटर में, प्रकाश एक बहुत चौड़े पिन जंक्शन के भीतर आंतरिक सिलिकॉन में स्थित होता है, और इलेक्ट्रॉन और होल इंजेक्ट किए जाते हैं। हालांकि, ऐसे मॉड्यूलेटर धीमे होते हैं, आमतौर पर इनकी बैंडविड्थ 500 मेगाहर्ट्ज होती है, क्योंकि मुक्त इलेक्ट्रॉन और होल को इंजेक्शन के बाद पुनर्संयोजित होने में अधिक समय लगता है। इसलिए, इस संरचना का उपयोग अक्सर मॉड्यूलेटर के बजाय वेरिएबल ऑप्टिकल एट्यूनेटर (VOA) के रूप में किया जाता है। कैरियर डिप्लेशन मॉड्यूलेटर में, प्रकाश भाग एक संकीर्ण pn जंक्शन में स्थित होता है, और pn जंक्शन की डिप्लेशन चौड़ाई को लागू विद्युत क्षेत्र द्वारा बदला जाता है। यह मॉड्यूलेटर 50Gb/s से अधिक गति पर काम कर सकता है, लेकिन इसमें उच्च पृष्ठभूमि सम्मिलन हानि होती है। विशिष्ट vpil 2 V-cm है। एक मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (MOS) (वास्तव में सेमीकंडक्टर-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) मॉड्यूलेटर में pn जंक्शन में एक पतली ऑक्साइड परत होती है। यह कुछ वाहक संचय के साथ-साथ वाहक क्षय की भी अनुमति देता है, जिससे लगभग 0.2 V-cm का छोटा VπL प्राप्त होता है, लेकिन इसमें उच्च ऑप्टिकल हानि और प्रति इकाई लंबाई उच्च धारिता की हानि होती है। इसके अतिरिक्त, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बैंड एज मूवमेंट पर आधारित SiGe विद्युत अवशोषण मॉड्यूलेटर भी हैं। साथ ही, ग्राफीन मॉड्यूलेटर भी हैं जो अवशोषक धातुओं और पारदर्शी इन्सुलेटरों के बीच स्विच करने के लिए ग्राफीन पर निर्भर करते हैं। ये विभिन्न तंत्रों के अनुप्रयोगों की विविधता को दर्शाते हैं, जिनका उपयोग उच्च गति और कम हानि वाले ऑप्टिकल सिग्नल मॉड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है।

चित्र 10: (ए) विभिन्न सिलिकॉन-आधारित ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर डिज़ाइनों का अनुप्रस्थ काट आरेख और (बी) ऑप्टिकल डिटेक्टर डिज़ाइनों का अनुप्रस्थ काट आरेख।

चित्र 10B में सिलिकॉन-आधारित कई प्रकाश डिटेक्टर दिखाए गए हैं। अवशोषक पदार्थ जर्मेनियम (Ge) है। Ge लगभग 1.6 माइक्रोन तक की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम है। बाईं ओर आज सबसे व्यावसायिक रूप से सफल पिन संरचना दिखाई गई है। यह P-प्रकार के डोप्ड सिलिकॉन से बनी है जिस पर Ge उगाया जाता है। Ge और Si में 4% जाली बेमेल है, और विस्थापन को कम करने के लिए, SiGe की एक पतली परत को पहले बफर परत के रूप में उगाया जाता है। Ge परत के ऊपर N-प्रकार की डोपिंग की जाती है। मध्य में एक धातु-अर्धचालक-धातु (MSM) फोटोडायोड दिखाया गया है, और एक APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) दाईं ओर दिखाया गया है। APD में हिमस्खलन क्षेत्र Si में स्थित है, जिसमें समूह III-V मौलिक पदार्थों में हिमस्खलन क्षेत्र की तुलना में कम शोर विशेषताएँ हैं।

वर्तमान में, सिलिकॉन फोटोनिक्स के साथ ऑप्टिकल गेन को एकीकृत करने में स्पष्ट लाभ वाले कोई समाधान उपलब्ध नहीं हैं। चित्र 11 में असेंबली स्तर के अनुसार कई संभावित विकल्प दिखाए गए हैं। सबसे बाईं ओर मोनोलिथिक एकीकरण हैं जिनमें ऑप्टिकल गेन सामग्री के रूप में एपिटैक्सियल रूप से विकसित जर्मेनियम (Ge), एर्बियम-डॉप्ड (Er) ग्लास वेवगाइड (जैसे Al2O3, जिसके लिए ऑप्टिकल पंपिंग की आवश्यकता होती है) और एपिटैक्सियल रूप से विकसित गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) क्वांटम डॉट्स का उपयोग शामिल है। अगला कॉलम वेफर-टू-वेफर असेंबली है, जिसमें III-V समूह गेन क्षेत्र में ऑक्साइड और कार्बनिक बॉन्डिंग शामिल है। इसके बाद वाला कॉलम चिप-टू-वेफर असेंबली है, जिसमें III-V समूह चिप को सिलिकॉन वेफर की कैविटी में एम्बेड करना और फिर वेवगाइड संरचना को मशीनिंग करना शामिल है। इस पहले तीन कॉलम वाले दृष्टिकोण का लाभ यह है कि डिवाइस को काटने से पहले वेफर के अंदर पूरी तरह से कार्यात्मक परीक्षण किया जा सकता है। सबसे दाहिने कॉलम में चिप-टू-चिप असेंबली है, जिसमें सिलिकॉन चिप्स को III-V समूह की चिप्स से सीधे जोड़ना, साथ ही लेंस और ग्रेटिंग कपलर के माध्यम से जोड़ना शामिल है। व्यावसायिक अनुप्रयोगों की ओर रुझान चार्ट के दाहिने से बाएं ओर, अधिक एकीकृत और समन्वित समाधानों की ओर बढ़ रहा है।

चित्र 11: सिलिकॉन-आधारित फोटोनिक्स में ऑप्टिकल गेन को कैसे एकीकृत किया जाता है। जैसे-जैसे आप बाएं से दाएं बढ़ते हैं, निर्माण सम्मिलन बिंदु प्रक्रिया में धीरे-धीरे पीछे की ओर खिसकता जाता है।