सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

फोटोनिक्स सक्रिय घटक विशेष रूप से प्रकाश और पदार्थ के बीच जानबूझकर डिज़ाइन किए गए गतिशील इंटरैक्शन को संदर्भित करते हैं। फोटोनिक्स का एक विशिष्ट सक्रिय घटक एक ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर है। सभी मौजूदा सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्यूलेटरप्लाज्मा मुक्त वाहक प्रभाव पर आधारित हैं। डोपिंग, इलेक्ट्रिकल या ऑप्टिकल तरीकों से सिलिकॉन सामग्री में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या को बदलने से इसका जटिल अपवर्तनांक बदल सकता है, यह प्रक्रिया समीकरणों (1,2) में दिखाई गई है जो 1550 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर सोरेफ़ और बेनेट से डेटा फ़िटिंग द्वारा प्राप्त की गई है। इलेक्ट्रॉनों की तुलना में, छिद्र वास्तविक और काल्पनिक अपवर्तनांक परिवर्तनों का एक बड़ा अनुपात पैदा करते हैं, अर्थात, वे किसी दिए गए हानि परिवर्तन के लिए एक बड़ा चरण परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिएमाक-ज़ेन्डर मॉड्यूलेटरऔर रिंग मॉड्यूलेटर, आमतौर पर छेद बनाने के लिए उपयोग करना पसंद किया जाता हैचरण मॉडुलेटर.

विभिन्नसिलिकॉन (Si) मॉड्यूलेटरप्रकार चित्र 10A में दिखाए गए हैं। एक वाहक इंजेक्शन मॉड्यूलेटर में, प्रकाश एक बहुत चौड़े पिन जंक्शन के भीतर आंतरिक सिलिकॉन में स्थित होता है, और इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को इंजेक्ट किया जाता है। हालांकि, ऐसे मॉड्यूलेटर धीमे होते हैं, आमतौर पर 500 मेगाहर्ट्ज की बैंडविड्थ के साथ, क्योंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को इंजेक्शन के बाद पुनर्संयोजित होने में अधिक समय लगता है। इसलिए, इस संरचना का उपयोग अक्सर एक मॉड्यूलेटर के बजाय एक परिवर्तनीय ऑप्टिकल एटेन्यूएटर (VOA) के रूप में किया जाता है। एक वाहक ह्रास मॉड्यूलेटर में, प्रकाश भाग एक संकीर्ण pn जंक्शन में स्थित होता है, और pn जंक्शन की कमी की चौड़ाई एक लागू विद्युत क्षेत्र द्वारा बदल दी जाती है। यह मॉड्यूलेटर 50Gb/s से अधिक गति पर काम कर सकता है यह कुछ वाहक संचय के साथ-साथ वाहक ह्रास की भी अनुमति देता है, जिससे लगभग 0.2 V-सेमी का छोटा VπL प्राप्त होता है, लेकिन इसमें उच्च ऑप्टिकल हानि और प्रति इकाई लंबाई में उच्च धारिता का नुकसान है। इसके अलावा, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बैंड एज मूवमेंट पर आधारित SiGe इलेक्ट्रिकल अवशोषण मॉड्यूलेटर हैं। इसके अलावा, ग्रेफीन मॉड्यूलेटर हैं जो अवशोषित धातुओं और पारदर्शी इन्सुलेटर के बीच स्विच करने के लिए ग्रेफीन पर निर्भर करते हैं। ये उच्च गति, कम हानि वाले ऑप्टिकल सिग्नल मॉड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए विभिन्न तंत्रों के अनुप्रयोगों की विविधता को प्रदर्शित करते हैं।

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

चित्र 10B में कई सिलिकॉन-आधारित प्रकाश डिटेक्टर दिखाए गए हैं। अवशोषित करने वाला पदार्थ जर्मेनियम (Ge) है। Ge लगभग 1.6 माइक्रोन तक की तरंगदैर्घ्य पर प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम है। बाईं ओर दिखाया गया है आज सबसे व्यावसायिक रूप से सफल पिन संरचना। यह P-प्रकार के डोप्ड सिलिकॉन से बना है जिस पर Ge बढ़ता है। Ge और Si में 4% जाली बेमेल है, और अव्यवस्था को कम करने के लिए, SiGe की एक पतली परत को पहले बफर परत के रूप में उगाया जाता है। Ge परत के शीर्ष पर N-प्रकार का डोपिंग किया जाता है। एक धातु-अर्धचालक-धातु (MSM) फोटोडायोड को बीच में दिखाया गया है, और एक APD (हिमस्खलन फोटो डिटेक्टर) को दाईं ओर दिखाया गया है। APD में हिमस्खलन क्षेत्र Si में स्थित है, जिसमें ग्रुप III-V मौलिक सामग्रियों में हिमस्खलन क्षेत्र की तुलना में कम शोर विशेषताएँ हैं।

वर्तमान में, सिलिकॉन फोटोनिक्स के साथ ऑप्टिकल लाभ को एकीकृत करने में स्पष्ट लाभ वाले कोई समाधान नहीं हैं। चित्र 11 असेंबली स्तर द्वारा व्यवस्थित कई संभावित विकल्प दिखाता है। सबसे बाईं ओर मोनोलिथिक एकीकरण हैं जिनमें ऑप्टिकल लाभ सामग्री के रूप में एपिटैक्सियल रूप से विकसित जर्मेनियम (Ge), एर्बियम-डोप्ड (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 लाभ क्षेत्र में ऑक्साइड और कार्बनिक बॉन्डिंग शामिल है। अगला कॉलम चिप-टू-वेफर असेंबली है, जिसमें III-V समूह चिप को सिलिकॉन वेफर की गुहा में एम्बेड करना और फिर वेवगाइड संरचना को मशीनिंग करना शामिल है। इस पहले तीन कॉलम दृष्टिकोण का लाभ यह है कि काटने से पहले डिवाइस को वेफर के अंदर पूरी तरह कार्यात्मक परीक्षण किया जा सकता है। सबसे दायाँ कॉलम चिप-टू-चिप असेंबली है, जिसमें सिलिकॉन चिप्स का III-V ग्रुप चिप्स से सीधा युग्मन, साथ ही लेंस और ग्रेटिंग कपलर के माध्यम से युग्मन शामिल है। व्यावसायिक अनुप्रयोगों की ओर रुझान चार्ट के दाईं ओर से बाईं ओर अधिक एकीकृत और एकीकृत समाधानों की ओर बढ़ रहा है।

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