સિલિકોન ફોટોનિક્સ સક્રિય તત્વ

સિલિકોન ફોટોનિક્સ સક્રિય તત્વ

ફોટોનિક્સ સક્રિય ઘટકો ખાસ કરીને પ્રકાશ અને પદાર્થ વચ્ચે ઇરાદાપૂર્વક રચાયેલ ગતિશીલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો સંદર્ભ આપે છે. ફોટોનિક્સનો એક લાક્ષણિક સક્રિય ઘટક ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર છે. તમામ વર્તમાન સિલિકોન આધારિતઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર્સપ્લાઝ્મા ફ્રી વાહક અસર પર આધારિત છે. ડોપિંગ, વિદ્યુત અથવા ઓપ્ટિકલ પદ્ધતિઓ દ્વારા સિલિકોન સામગ્રીમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોની સંખ્યામાં ફેરફાર તેના જટિલ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સને બદલી શકે છે, 1550 નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ પર સોરેફ અને બેનેટના ડેટાને ફિટ કરીને મેળવેલ સમીકરણો (1,2) માં દર્શાવવામાં આવેલી પ્રક્રિયા. . ઇલેક્ટ્રોનની તુલનામાં, છિદ્રો વાસ્તવિક અને કાલ્પનિક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ફેરફારોના મોટા પ્રમાણનું કારણ બને છે, એટલે કે, તેઓ આપેલ નુકસાનના ફેરફાર માટે મોટા તબક્કામાં ફેરફાર કરી શકે છે, તેથીMach-Zehnder મોડ્યુલેટર્સઅને રીંગ મોડ્યુલેટર, તે સામાન્ય રીતે બનાવવા માટે છિદ્રોનો ઉપયોગ કરવાનું પસંદ કરે છેતબક્કા મોડ્યુલેટર્સ.

વિવિધસિલિકોન (Si) મોડ્યુલેટરપ્રકારો આકૃતિ 10A માં દર્શાવેલ છે. વાહક ઇન્જેક્શન મોડ્યુલેટરમાં, પ્રકાશ ખૂબ જ વિશાળ પિન જંકશનની અંદર આંતરિક સિલિકોનમાં સ્થિત છે, અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે. જો કે, આવા મોડ્યુલેટર ધીમા હોય છે, સામાન્ય રીતે 500 મેગાહર્ટ્ઝની બેન્ડવિડ્થ સાથે, કારણ કે ઈન્જેક્શન પછી ફ્રી ઈલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ફરીથી જોડવામાં વધુ સમય લે છે. તેથી, આ માળખું ઘણીવાર મોડ્યુલેટરને બદલે વેરિયેબલ ઓપ્ટિકલ એટેન્યુએટર (VOA) તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. વાહક અવક્ષય મોડ્યુલેટરમાં, પ્રકાશનો ભાગ સાંકડી pn જંકશનમાં સ્થિત હોય છે, અને pn જંકશનની અવક્ષયની પહોળાઈ લાગુ વિદ્યુત ક્ષેત્ર દ્વારા બદલાય છે. આ મોડ્યુલેટર 50Gb/s થી વધુ ઝડપે કાર્ય કરી શકે છે, પરંતુ તેમાં ઉચ્ચ પૃષ્ઠભૂમિ નિવેશ નુકશાન છે. લાક્ષણિક vpil 2 V-cm છે. મેટલ ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર (MOS) (ખરેખર સેમિકન્ડક્ટર-ઓક્સાઇડ-સેમિકન્ડક્ટર) મોડ્યુલેટરમાં pn જંકશનમાં ઓક્સાઈડનું પાતળું સ્તર હોય છે. તે કેટલાક વાહક સંચય તેમજ વાહક અવક્ષયને મંજૂરી આપે છે, જે લગભગ 0.2 V-cm ના નાના VπLને મંજૂરી આપે છે, પરંતુ એકમ લંબાઈ દીઠ ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ નુકસાન અને ઉચ્ચ કેપેસીટન્સનો ગેરલાભ છે. વધુમાં, SiGe (સિલિકોન જર્મેનિયમ એલોય) બેન્ડ એજ મૂવમેન્ટ પર આધારિત SiGe વિદ્યુત શોષણ મોડ્યુલેટર છે. વધુમાં, ત્યાં ગ્રાફીન મોડ્યુલેટર છે જે શોષક ધાતુઓ અને પારદર્શક ઇન્સ્યુલેટર વચ્ચે સ્વિચ કરવા માટે ગ્રાફીન પર આધાર રાખે છે. આ હાઇ-સ્પીડ, લો-લોસ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલ મોડ્યુલેશન હાંસલ કરવા માટે વિવિધ મિકેનિઝમ્સની એપ્લિકેશનની વિવિધતા દર્શાવે છે.

આકૃતિ 10: (A) વિવિધ સિલિકોન-આધારિત ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર ડિઝાઇનનો ક્રોસ-સેક્શનલ ડાયાગ્રામ અને (B) ઓપ્ટિકલ ડિટેક્ટર ડિઝાઇનનો ક્રોસ-સેક્શનલ ડાયાગ્રામ.

કેટલાક સિલિકોન-આધારિત લાઇટ ડિટેક્ટર આકૃતિ 10B માં બતાવ્યા છે. શોષક સામગ્રી જર્મેનિયમ (Ge) છે. Ge લગભગ 1.6 માઇક્રોન સુધીની તરંગલંબાઇ પર પ્રકાશને શોષવામાં સક્ષમ છે. ડાબી બાજુએ બતાવેલ સૌથી વ્યવસાયિક રીતે સફળ પિન માળખું આજે છે. તે પી-ટાઈપ ડોપ્ડ સિલિકોનથી બનેલું છે જેના પર Ge વધે છે. Ge અને Si માં 4% જાળીનો મેળ ખાતો નથી, અને અવ્યવસ્થાને ઘટાડવા માટે, SiGe ના પાતળા સ્તરને બફર સ્તર તરીકે પ્રથમ ઉગાડવામાં આવે છે. એન-ટાઇપ ડોપિંગ જીઇ સ્તરની ટોચ પર કરવામાં આવે છે. મેટલ-સેમિકન્ડક્ટર-મેટલ (MSM) ફોટોોડિયોડ મધ્યમાં બતાવવામાં આવે છે, અને APD (હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર) જમણી બાજુએ બતાવેલ છે. APD માં હિમપ્રપાત પ્રદેશ Si માં સ્થિત છે, જે જૂથ III-V એલિમેન્ટલ સામગ્રીમાં હિમપ્રપાત પ્રદેશની તુલનામાં ઓછા અવાજ લક્ષણો ધરાવે છે.

હાલમાં, સિલિકોન ફોટોનિક્સ સાથે ઓપ્ટિકલ ગેઇનને એકીકૃત કરવાના સ્પષ્ટ ફાયદાઓ સાથે કોઈ ઉકેલો નથી. આકૃતિ 11 એસેમ્બલી સ્તર દ્વારા આયોજિત કેટલાક સંભવિત વિકલ્પો બતાવે છે. દૂર ડાબી બાજુએ મોનોલિથિક એકીકરણ છે જેમાં ઓપ્ટિકલ ગેઇન મટિરિયલ તરીકે એપિટાક્સિલી ઉગાડવામાં આવેલ જર્મેનિયમ (Ge) નો ઉપયોગ, એર્બિયમ-ડોપેડ (Er) ગ્લાસ વેવગાઇડ્સ (જેમ કે Al2O3, જેને ઓપ્ટિકલ પમ્પિંગની જરૂર છે), અને એપિટાક્સિલી ઉગાડવામાં આવેલ ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) નો સમાવેશ થાય છે. ) ક્વોન્ટમ બિંદુઓ. આગળની કોલમ વેફર ટુ વેફર એસેમ્બલી છે, જેમાં III-V જૂથ ગેઇન પ્રદેશમાં ઓક્સાઇડ અને ઓર્ગેનિક બોન્ડિંગ સામેલ છે. આગળનો સ્તંભ ચિપ-ટુ-વેફર એસેમ્બલી છે, જેમાં સિલિકોન વેફરની પોલાણમાં III-V જૂથ ચિપને એમ્બેડ કરવી અને પછી વેવગાઇડ સ્ટ્રક્ચરનું મશીનિંગ શામેલ છે. આ પ્રથમ ત્રણ કૉલમ અભિગમનો ફાયદો એ છે કે ઉપકરણને કાપતા પહેલા વેફરની અંદર સંપૂર્ણ કાર્યાત્મક પરીક્ષણ કરી શકાય છે. સૌથી જમણી બાજુનો સ્તંભ ચિપ-ટુ-ચિપ એસેમ્બલી છે, જેમાં સિલિકોન ચિપ્સનું III-V ગ્રૂપ ચિપ્સ સાથે સીધું જોડાણ તેમજ લેન્સ અને ગ્રૅટિંગ કપ્લર્સ દ્વારા જોડાણનો સમાવેશ થાય છે. વાણિજ્યિક એપ્લિકેશનો તરફનો વલણ ચાર્ટની જમણી બાજુથી ડાબી બાજુએ વધુ સંકલિત અને સંકલિત ઉકેલો તરફ આગળ વધી રહ્યો છે.

આકૃતિ 11: સિલિકોન-આધારિત ફોટોનિક્સમાં ઓપ્ટિકલ ગેઇન કેવી રીતે સંકલિત થાય છે. જેમ જેમ તમે ડાબેથી જમણે આગળ વધો છો તેમ, મેન્યુફેક્ચરિંગ ઇન્સર્શન પોઈન્ટ ધીમે ધીમે પ્રક્રિયામાં પાછું ફરે છે.