सिलिकन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

सिलिकन फोटोनिक्स सक्रिय तत्व

फोटोनिक्स सक्रिय घटकहरू विशेष गरी प्रकाश र पदार्थ बीच जानाजानी डिजाइन गरिएको गतिशील अन्तरक्रियाहरूलाई जनाउँछ। फोटोनिक्सको एक विशिष्ट सक्रिय घटक एक अप्टिकल मोड्युलेटर हो। सबै हालको सिलिकन-आधारितअप्टिकल मोड्युलेटरहरूप्लाज्मा मुक्त वाहक प्रभावमा आधारित हुन्छन्। डोपिङ, विद्युतीय वा अप्टिकल विधिहरूद्वारा सिलिकन सामग्रीमा मुक्त इलेक्ट्रोन र प्वालहरूको संख्या परिवर्तन गर्नाले यसको जटिल अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन हुन सक्छ, यो प्रक्रिया १५५० न्यानोमिटरको तरंगदैर्ध्यमा सोरेफ र बेनेटबाट डेटा फिट गरेर प्राप्त समीकरण (१,२) मा देखाइएको छ। इलेक्ट्रोनहरूको तुलनामा, प्वालहरूले वास्तविक र काल्पनिक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तनहरूको ठूलो अनुपात निम्त्याउँछ, अर्थात्, तिनीहरूले दिइएको क्षति परिवर्तनको लागि ठूलो चरण परिवर्तन उत्पादन गर्न सक्छन्, त्यसैलेमाच-जेहन्डर मोड्युलेटरहरूर रिंग मोड्युलेटरहरू, सामान्यतया प्वालहरू प्रयोग गर्न रुचाइन्छचरण मोड्युलेटरहरू.

विभिन्नसिलिकन (Si) मोड्युलेटरप्रकारहरू चित्र १०A मा देखाइएका छन्। क्यारियर इन्जेक्सन मोड्युलेटरमा, प्रकाश धेरै फराकिलो पिन जंक्शन भित्र आन्तरिक सिलिकनमा अवस्थित हुन्छ, र इलेक्ट्रोन र प्वालहरू इन्जेक्सन गरिन्छन्। यद्यपि, त्यस्ता मोड्युलेटरहरू ढिलो हुन्छन्, सामान्यतया ५०० मेगाहर्ट्जको ब्यान्डविथको साथ, किनभने फ्री इलेक्ट्रोनहरू र प्वालहरू इंजेक्शन पछि पुन: संयोजन गर्न लामो समय लाग्छ। त्यसकारण, यो संरचना प्रायः मोड्युलेटरको सट्टा चर अप्टिकल एटेन्युएटर (VOA) को रूपमा प्रयोग गरिन्छ। क्यारियर डिप्लेशन मोड्युलेटरमा, प्रकाश भाग साँघुरो pn जंक्शनमा अवस्थित हुन्छ, र pn जंक्शनको डिप्लेशन चौडाइ लागू गरिएको विद्युत क्षेत्रद्वारा परिवर्तन गरिन्छ। यो मोड्युलेटर ५०Gb/s भन्दा बढी गतिमा सञ्चालन गर्न सक्छ, तर उच्च पृष्ठभूमि सम्मिलन हानि छ। विशिष्ट vpil २ V-cm छ। धातु अक्साइड अर्धचालक (MOS) (वास्तवमा अर्धचालक-अक्साइड-अर्धचालक) मोड्युलेटरमा pn जंक्शनमा पातलो अक्साइड तह हुन्छ। यसले केही वाहक संचयको साथै वाहकको कमीलाई अनुमति दिन्छ, जसले लगभग ०.२ V-cm को सानो VπL लाई अनुमति दिन्छ, तर प्रति एकाइ लम्बाइमा उच्च अप्टिकल हानि र उच्च क्यापेसिटन्सको बेफाइदा छ। यसको अतिरिक्त, SiGe (सिलिकन जर्मेनियम मिश्र धातु) ब्यान्ड एज मुभमेन्टमा आधारित SiGe विद्युतीय अवशोषण मोड्युलेटरहरू छन्। यसको अतिरिक्त, त्यहाँ ग्राफिन मोड्युलेटरहरू छन् जुन अवशोषित धातुहरू र पारदर्शी इन्सुलेटरहरू बीच स्विच गर्न ग्राफिनमा भर पर्छन्। यसले उच्च-गति, कम-हानि अप्टिकल सिग्नल मोड्युलेसन प्राप्त गर्न विभिन्न संयन्त्रहरूको अनुप्रयोगहरूको विविधता प्रदर्शन गर्दछ।

चित्र १०: (क) विभिन्न सिलिकन-आधारित अप्टिकल मोड्युलेटर डिजाइनहरूको क्रस-सेक्शनल रेखाचित्र र (ख) अप्टिकल डिटेक्टर डिजाइनहरूको क्रस-सेक्शनल रेखाचित्र।

चित्र १०B मा धेरै सिलिकन-आधारित प्रकाश डिटेक्टरहरू देखाइएका छन्। अवशोषित गर्ने सामग्री जर्मेनियम (Ge) हो। Ge ले लगभग १.६ माइक्रोनसम्म तरंगदैर्ध्यमा प्रकाश अवशोषित गर्न सक्षम छ। बायाँमा देखाइएको आजको सबैभन्दा व्यावसायिक रूपमा सफल पिन संरचना हो। यो P-प्रकार डोप गरिएको सिलिकनबाट बनेको छ जसमा Ge बढ्छ। Ge र Si मा ४% जाली बेमेल छ, र विस्थापनलाई कम गर्न, SiGe को पातलो तह पहिले बफर तहको रूपमा उब्जाइन्छ। Ge तहको माथि N-प्रकार डोपिङ गरिन्छ। बीचमा धातु-अर्धचालक-धातु (MSM) फोटोडायोड देखाइएको छ, र APD (हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर) दायाँतिर देखाइएको छ। APD मा रहेको हिमस्खलन क्षेत्र Si मा अवस्थित छ, जसमा समूह III-V मौलिक सामग्रीहरूमा रहेको हिमस्खलन क्षेत्रको तुलनामा कम आवाज विशेषताहरू छन्।

हाल, सिलिकन फोटोनिक्ससँग अप्टिकल गेन एकीकृत गर्ने स्पष्ट फाइदाहरू भएका कुनै समाधानहरू छैनन्। चित्र ११ ले एसेम्बली स्तरद्वारा व्यवस्थित धेरै सम्भावित विकल्पहरू देखाउँछ। बायाँतिर मोनोलिथिक एकीकरणहरू छन् जसमा अप्टिकल गेन सामग्रीको रूपमा एपिटेक्सियाली ग्रोभ गरिएको जर्मेनियम (Ge), एर्बियम-डोपेड (Er) गिलास वेभगाइडहरू (जस्तै Al2O3, जसलाई अप्टिकल पम्पिङ आवश्यक पर्दछ), र एपिटेक्सियाली ग्रोभ गरिएको ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs) क्वान्टम डटहरू समावेश छन्। अर्को स्तम्भ वेफर टु वेफर एसेम्बली हो, जसमा III-V समूह लाभ क्षेत्रमा अक्साइड र जैविक बन्धन समावेश छ। अर्को स्तम्भ चिप-टु-वेफर एसेम्बली हो, जसमा III-V समूह चिपलाई सिलिकन वेफरको गुहामा इम्बेड गर्ने र त्यसपछि वेभगाइड संरचनालाई मेसिन गर्ने समावेश छ। यो पहिलो तीन स्तम्भ दृष्टिकोणको फाइदा यो हो कि उपकरणलाई काट्नु अघि वेफर भित्र पूर्ण रूपमा कार्यात्मक परीक्षण गर्न सकिन्छ। दायाँ-सबैभन्दा दायाँ स्तम्भ चिप-टु-चिप एसेम्बली हो, जसमा सिलिकन चिप्सलाई III-V समूह चिपहरूमा प्रत्यक्ष युग्मन, साथै लेन्स र ग्रेटिंग कप्लरहरू मार्फत युग्मन समावेश छ। व्यावसायिक अनुप्रयोगहरू तर्फको प्रवृत्ति चार्टको दायाँबाट बायाँ तर्फ बढ्दै गइरहेको छ र थप एकीकृत र एकीकृत समाधानहरू तर्फ बढिरहेको छ।

चित्र ११: सिलिकन-आधारित फोटोनिक्समा अप्टिकल गेन कसरी एकीकृत हुन्छ। तपाईं बायाँबाट दायाँ सर्दै जाँदा, निर्माण सम्मिलन बिन्दु बिस्तारै प्रक्रियामा पछाडि सर्छ।