સિલિકોન ફોટોનિક્સ સક્રિય તત્વ

સિલિકોન ફોટોનિક્સ સક્રિય તત્વ

ફોટોનિક્સ સક્રિય ઘટકો ખાસ કરીને પ્રકાશ અને દ્રવ્ય વચ્ચે ઇરાદાપૂર્વક રચાયેલ ગતિશીલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો સંદર્ભ આપે છે. ફોટોનિક્સનો એક લાક્ષણિક સક્રિય ઘટક ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર છે. બધા વર્તમાન સિલિકોન-આધારિતઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટરપ્લાઝ્મા મુક્ત વાહક અસર પર આધારિત છે. ડોપિંગ, વિદ્યુત અથવા ઓપ્ટિકલ પદ્ધતિઓ દ્વારા સિલિકોન સામગ્રીમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોની સંખ્યામાં ફેરફાર કરવાથી તેના જટિલ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સમાં ફેરફાર થઈ શકે છે, જે પ્રક્રિયા સોરેફ અને બેનેટ પાસેથી 1550 નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ પર ડેટા ફિટ કરીને મેળવેલા સમીકરણો (1,2) માં દર્શાવેલ છે. ઇલેક્ટ્રોનની તુલનામાં, છિદ્રો વાસ્તવિક અને કાલ્પનિક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ફેરફારોના મોટા પ્રમાણનું કારણ બને છે, એટલે કે, તેઓ આપેલ નુકસાન ફેરફાર માટે મોટા તબક્કામાં ફેરફાર ઉત્પન્ન કરી શકે છે, તેથીમાક-ઝેહન્ડર મોડ્યુલેટરઅને રિંગ મોડ્યુલેટર, સામાન્ય રીતે છિદ્રોનો ઉપયોગ કરીને બનાવવાનું પસંદ કરવામાં આવે છેફેઝ મોડ્યુલેટર.

વિવિધસિલિકોન (Si) મોડ્યુલેટરઆકૃતિ 10A માં પ્રકારો દર્શાવવામાં આવ્યા છે. કેરિયર ઇન્જેક્શન મોડ્યુલેટરમાં, પ્રકાશ ખૂબ જ પહોળા પિન જંકશનની અંદર આંતરિક સિલિકોનમાં સ્થિત હોય છે, અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે. જો કે, આવા મોડ્યુલેટર ધીમા હોય છે, સામાન્ય રીતે 500 MHz ની બેન્ડવિડ્થ સાથે, કારણ કે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઇન્જેક્શન પછી ફરીથી જોડવામાં વધુ સમય લે છે. તેથી, આ રચનાનો ઉપયોગ ઘણીવાર મોડ્યુલેટરને બદલે ચલ ઓપ્ટિકલ એટેન્યુએટર (VOA) તરીકે થાય છે. કેરિયર ડિપ્લેશન મોડ્યુલેટરમાં, પ્રકાશ ભાગ સાંકડા pn જંકશનમાં સ્થિત હોય છે, અને pn જંકશનની ડિપ્લેશન પહોળાઈ લાગુ ઇલેક્ટ્રિક 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) (વાસ્તવમાં સેમિકન્ડક્ટર-ઓક્સાઇડ-સેમિકન્ડક્ટર) મોડ્યુલેટરમાં pn જંકશનમાં પાતળો ઓક્સાઇડ સ્તર હોય છે. તે કેટલાક વાહક સંચય તેમજ વાહક અવક્ષયને મંજૂરી આપે છે, જે લગભગ 0.2 V-cm ના નાના VπL ને મંજૂરી આપે છે, પરંતુ તેમાં પ્રતિ યુનિટ લંબાઈમાં ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ નુકસાન અને ઉચ્ચ કેપેસિટન્સનો ગેરલાભ છે. વધુમાં, SiGe (સિલિકોન જર્મનિયમ એલોય) બેન્ડ એજ મૂવમેન્ટ પર આધારિત SiGe ઇલેક્ટ્રિકલ શોષણ મોડ્યુલેટર છે. વધુમાં, એવા 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 પ્રાપ્ત કરવા માટે વિવિધ મિકેનિઝમ્સના એપ્લિકેશનોની વિવિધતા દર્શાવે છે.

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

આકૃતિ 10B માં ઘણા સિલિકોન-આધારિત પ્રકાશ ડિટેક્ટર બતાવવામાં આવ્યા છે. શોષક સામગ્રી જર્મેનિયમ (Ge) છે. Ge લગભગ 1.6 માઇક્રોન સુધીની તરંગલંબાઇ પર પ્રકાશને શોષી શકે છે. ડાબી બાજુ આજે સૌથી વ્યાપારી રીતે સફળ પિન માળખું બતાવવામાં આવ્યું છે. તે P-પ્રકારના ડોપેડ સિલિકોનથી બનેલું છે જેના પર Ge વધે છે. Ge અને Si માં 4% જાળીનો મેળ ખાતો નથી, અને ડિસલોકેશન ઘટાડવા માટે, SiGe નું પાતળું પડ પહેલા બફર લેયર તરીકે ઉગાડવામાં આવે છે. Ge લેયરની ટોચ પર N-પ્રકારનું ડોપિંગ કરવામાં આવે છે. મેટલ-સેમિકન્ડક્ટર-મેટલ (MSM) ફોટોડાયોડ મધ્યમાં બતાવવામાં આવ્યો છે, અને એક APD (હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર) જમણી બાજુએ દર્શાવેલ છે. APD માં હિમપ્રપાત ક્ષેત્ર Si માં સ્થિત છે, જે જૂથ III-V મૂળભૂત સામગ્રીમાં હિમપ્રપાત ક્ષેત્રની તુલનામાં ઓછી અવાજ લાક્ષણિકતાઓ ધરાવે છે.

હાલમાં, સિલિકોન ફોટોનિક્સ સાથે ઓપ્ટિકલ ગેઇનને એકીકૃત કરવામાં સ્પષ્ટ ફાયદાઓ સાથે કોઈ ઉકેલો નથી. આકૃતિ 11 એસેમ્બલી સ્તર દ્વારા ગોઠવાયેલા ઘણા સંભવિત વિકલ્પો બતાવે છે. ડાબી બાજુએ મોનોલિથિક એકીકરણ છે જેમાં ઓપ્ટિકલ ગેઇન સામગ્રી તરીકે એપિટાક્સિકલી ઉગાડવામાં આવેલા જર્મેનિયમ (Ge) નો ઉપયોગ, એર્બિયમ-ડોપેડ (Er) ગ્લાસ વેવગાઇડ્સ (જેમ કે Al2O3, જેને ઓપ્ટિકલ પમ્પિંગની જરૂર હોય છે), અને એપિટાક્સિકલી ઉગાડવામાં આવેલા ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) ક્વોન્ટમ બિંદુઓનો સમાવેશ થાય છે. આગામી કૉલમ વેફર ટુ વેફર એસેમ્બલી છે, જેમાં III-V ગ્રુપ ગેઇન ક્ષેત્રમાં ઓક્સાઇડ અને કાર્બનિક બંધનનો સમાવેશ થાય છે. આગામી કૉલમ ચિપ-ટુ-વેફર એસેમ્બલી છે, જેમાં III-V ગ્રુપ ચિપને સિલિકોન વેફરના પોલાણમાં એમ્બેડ કરવાનો અને પછી વેવગાઇડ સ્ટ્રક્ચરને મશીન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ પ્રથમ ત્રણ કૉલમ અભિગમનો ફાયદો એ છે કે કાપતા પહેલા ઉપકરણને વેફરની અંદર સંપૂર્ણપણે કાર્યરત પરીક્ષણ કરી શકાય છે. સૌથી જમણી બાજુનો કૉલમ ચિપ-ટુ-ચિપ એસેમ્બલી છે, જેમાં સિલિકોન ચિપ્સનું III-V ગ્રુપ ચિપ્સ સાથે સીધું જોડાણ, તેમજ લેન્સ અને ગ્રેટિંગ કપ્લર્સ દ્વારા જોડાણનો સમાવેશ થાય છે. વાણિજ્યિક એપ્લિકેશનો તરફનો ટ્રેન્ડ ચાર્ટની જમણી બાજુથી ડાબી બાજુ વધુ સંકલિત અને સંકલિત ઉકેલો તરફ આગળ વધી રહ્યો છે.

આકૃતિ ૧૧: સિલિકોન-આધારિત ફોટોનિક્સમાં ઓપ્ટિકલ ગેઇન કેવી રીતે સંકલિત થાય છે. જેમ જેમ તમે ડાબેથી જમણે ખસેડો છો, તેમ તેમ ઉત્પાદન નિવેશ બિંદુ પ્રક્રિયામાં ધીમે ધીમે પાછળ ખસે છે.