सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

फोटोनिक्स सक्रिय घटक विशेष रूप से प्रकाश और पदार्थ के बीच जानबूझकर डिज़ाइन की गई गतिशील बातचीत 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 अपवर्तक सूचकांक बदल सकता है, यह प्रक्रिया 1550 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर सोरफ और बेनेट से डेटा फिट करके प्राप्त समीकरणों (1,2) में दिखाई गई है। . इलेक्ट्रॉनों की तुलना में, छेद वास्तविक और काल्पनिक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तनों का एक बड़ा हिस्सा पैदा करते हैं, यानी, वे किसी दिए गए हानि परिवर्तन के लिए एक बड़ा चरण परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिएमच-ज़ेन्डर मॉड्यूलेटरऔर रिंग मॉड्यूलेटर बनाने के लिए आमतौर पर छेद का उपयोग करना पसंद किया जाता हैचरण न्यूनाधिक.

विविधसिलिकॉन (Si) मॉड्यूलेटरप्रकार चित्र 10ए 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। हालाँकि, ऐसे मॉड्यूलेटर धीमे होते हैं, आमतौर पर 500 मेगाहर्ट्ज की बैंडविड्थ के साथ, क्योंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को इंजेक्शन के बाद पुनः संयोजित होने में अधिक समय लगता है। इसलिए, इस संरचना का उपयोग अक्सर मॉड्यूलेटर के बजाय एक परिवर्तनीय ऑप्टिकल एटेन्यूएटर (वीओए) के रूप में किया जाता है। एक वाहक कमी मॉड्यूलेटर में, प्रकाश भाग एक संकीर्ण पीएन जंक्शन में स्थित होता है, और पीएन जंक्शन की कमी चौड़ाई एक लागू विद्युत क्षेत्र द्वारा बदल दी जाती है। यह मॉड्यूलेटर 50Gb/s से अधिक गति पर काम कर सकता है, लेकिन इसमें उच्च पृष्ठभूमि प्रविष्टि हानि होती है। सामान्य वीपीआईएल 2 वी-सेमी है। एक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (एमओएस) (वास्तव में सेमीकंडक्टर-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) मॉड्यूलेटर में पीएन जंक्शन में एक पतली ऑक्साइड परत होती है। यह कुछ वाहक संचय के साथ-साथ वाहक कमी की अनुमति देता है, जिससे लगभग 0.2 वी-सेमी के छोटे वीπएल की अनुमति मिलती है, लेकिन उच्च ऑप्टिकल नुकसान और प्रति यूनिट लंबाई में उच्च कैपेसिटेंस का नुकसान होता है। इसके अलावा, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बैंड एज मूवमेंट पर आधारित SiGe विद्युत अवशोषण मॉड्यूलेटर हैं। इसके अलावा, ग्राफीन मॉड्यूलेटर भी हैं जो अवशोषित धातुओं और पारदर्शी इंसुलेटर के बीच स्विच करने के लिए ग्राफीन 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 डिजाइनों का क्रॉस-अनुभागीय आरेख और (बी) ऑप्टिकल डिटेक्टर डिजाइनों का क्रॉस-अनुभागीय आरेख।

चित्र 10बी में कई सिलिकॉन-आधारित 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 की सबसे व्यावसायिक रूप से सफल पिन संरचना दिखाई गई है। यह पी-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। एन-प्रकार की डोपिंग जीई परत के शीर्ष पर की जाती है। बीच में एक धातु-अर्धचालक-धातु (एमएसएम) फोटोडायोड दिखाया गया है, और एक एपीडी (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) दाईं ओर दिखाया गया है। एपीडी में हिमस्खलन क्षेत्र सी में स्थित है, जिसमें समूह 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 अखंड एकीकरण हैं जिनमें ऑप्टिकल गेन सामग्री के रूप में एपीटैक्सियली विकसित जर्मेनियम (जीई) का उपयोग, एर्बियम-डोप्ड (ईआर) ग्लास वेवगाइड्स (जैसे कि एएल2ओ3, जिसके लिए ऑप्टिकल पंपिंग की आवश्यकता होती है), और एपीटैक्सियली विकसित गैलियम आर्सेनाइड (जीएएएस) का उपयोग शामिल है। ) क्वांटम डॉट्स। 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 की 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 दाहिना कॉलम चिप-टू-चिप असेंबली है, जिसमें सिलिकॉन चिप्स को III-V समूह चिप्स के साथ सीधा युग्मन, साथ ही लेंस और ग्रेटिंग कप्लर्स 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 गेन को सिलिकॉन-आधारित फोटोनिक्स में कैसे एकीकृत किया जाता है। जैसे-जैसे आप बाएँ से दाएँ जाते हैं, विनिर्माण सम्मिलन बिंदु धीरे-धीरे प्रक्रिया में पीछे चला जाता है।