सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

सिलिकॉन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

फोटोनिक्स के 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 एक प्रकाशिक मॉड्युलेटर है। सभी वर्तमान सिलिकॉन-आधारितऑप्टिकल मॉड्यूलेटरप्लाज्मा मुक्त वाहक प्रभाव पर आधारित हैं। सिलिकॉन पदार्थ में मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की संख्या को डोपिंग, विद्युत या प्रकाशिक विधियों द्वारा परिवर्तित करने से उसका जटिल अपवर्तनांक बदल सकता है, यह प्रक्रिया समीकरणों (1,2) में दर्शाई गई है, जो सोरेफ़ और बेनेट के डेटा को 1550 नैनोमीटर तरंगदैर्घ्य पर फिट करके प्राप्त की गई है। इलेक्ट्रॉनों की तुलना में, छिद्र वास्तविक और काल्पनिक अपवर्तनांक परिवर्तनों का एक बड़ा अनुपात उत्पन्न करते हैं, अर्थात, वे किसी दिए गए हानि परिवर्तन के लिए एक बड़ा कला परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं, इसलिएमाच-ज़ेन्डर मॉड्यूलेटरऔर रिंग मॉड्यूलेटर, आमतौर पर बनाने के लिए छेद का उपयोग करना पसंद किया जाता हैचरण मॉड्यूलेटर.

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 को अक्सर एक मॉड्यूलेटर के बजाय एक परिवर्तनीय ऑप्टिकल एटेन्यूएटर (VOA) के रूप में उपयोग किया जाता है। एक वाहक अवक्षय मॉड्यूलेटर में, प्रकाश भाग एक संकीर्ण pn जंक्शन में स्थित होता है, और pn जंक्शन की अवक्षय चौड़ाई एक लागू विद्युत क्षेत्र द्वारा बदल जाती है। यह मॉड्यूलेटर 50Gb/s से अधिक की गति से काम कर सकता है, लेकिन इसमें उच्च पृष्ठभूमि सम्मिलन हानि होती है। यह कुछ वाहक संचयन के साथ-साथ वाहक ह्रास भी होने देता है, जिससे लगभग 0.2 V-सेमी का छोटा VπL प्राप्त होता है, लेकिन इसकी कमी उच्च प्रकाशीय क्षति और प्रति इकाई लंबाई में उच्च धारिता है। इसके अतिरिक्त, SiGe (सिलिकॉन जर्मेनियम मिश्र धातु) बैंड एज मूवमेंट पर आधारित SiGe विद्युत अवशोषण मॉड्युलेटर भी उपलब्ध हैं। इसके अतिरिक्त, ऐसे ग्राफीन मॉड्युलेटर भी उपलब्ध हैं जो अवशोषित धातुओं और पारदर्शी इन्सुलेटरों के बीच स्विच करने के लिए ग्राफीन पर निर्भर करते हैं। ये उच्च-गति, निम्न-हानि वाले प्रकाशीय सिग्नल मॉड्युलेशन 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 संसूचक दर्शाए गए हैं। अवशोषक पदार्थ जर्मेनियम (Ge) है। Ge लगभग 1.6 माइक्रोन तक की तरंगदैर्ध्य पर प्रकाश अवशोषित करने में सक्षम है। बाईं ओर आज की सबसे व्यावसायिक रूप से सफल पिन संरचना दिखाई गई है। यह P-प्रकार के डोप किए गए सिलिकॉन से बना है जिस पर Ge बढ़ता है। Ge और Si में 4% जालक बेमेल है, और विस्थापन को कम करने के लिए, पहले SiGe की एक पतली परत को बफर परत के रूप में उगाया जाता है। Ge परत के शीर्ष पर N-प्रकार का डोपिंग किया जाता है। बीच में एक धातु-अर्धचालक-धातु (MSM) फोटोडायोड और एक APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) दाईं ओर दिखाया गया है। APD में हिमस्खलन क्षेत्र Si में स्थित है, जिसमें समूह III-V तात्विक पदार्थों 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 संयोजन स्तर द्वारा व्यवस्थित कई संभावित विकल्पों को दर्शाता है। सबसे बाईं ओर मोनोलिथिक एकीकरण हैं जिनमें ऑप्टिकल लाभ सामग्री के रूप में एपिटैक्सियल रूप से विकसित जर्मेनियम (Ge), अर्बियम-डोपेड (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 से वेफर संयोजन है, जिसमें III-V समूह लाभ क्षेत्र में ऑक्साइड और कार्बनिक बंधन शामिल हैं। अगला कॉलम चिप-टू-वेफर संयोजन है, जिसमें III-V समूह चिप को सिलिकॉन वेफर की गुहा में एम्बेड करना और फिर वेवगाइड संरचना को मशीनिंग करना शामिल है। सबसे दाएँ स्तंभ में चिप-टू-चिप असेंबली है, जिसमें सिलिकॉन चिप्स का III-V समूह के चिप्स से सीधा युग्मन, साथ ही लेंस और ग्रेटिंग कपलर के माध्यम से युग्मन शामिल है। व्यावसायिक अनुप्रयोगों की प्रवृत्ति चार्ट के दाएँ से बाएँ की ओर अधिक एकीकृत और एकीकृत समाधानों की ओर बढ़ रही है।

चित्र 11: सिलिकॉन-आधारित फ़ोटोनिक्स में ऑप्टिकल लाभ को कैसे एकीकृत किया जाता है। जैसे-जैसे आप बाएँ से दाएँ बढ़ते हैं, निर्माण प्रक्रिया में सम्मिलन बिंदु धीरे-धीरे पीछे की ओर बढ़ता है।