సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్ క్రియాశీల మూలకం

సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్ క్రియాశీల మూలకం

ఫోటోనిక్స్ యాక్టివ్ కాంపోనెంట్లు అనేవి కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య ఉద్దేశపూర్వకంగా రూపొందించిన డైనమిక్ పరస్పర చర్యలను ప్రత్యేకంగా సూచిస్తాయి. ఫోటోనిక్స్‌లోని ఒక సాధారణ యాక్టివ్ కాంపోనెంట్ ఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్. ప్రస్తుత సిలికాన్ ఆధారితమైనవన్నీఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్లుప్లాస్మా ఫ్రీ క్యారియర్ ప్రభావం ఆధారంగా ఉంటాయి. డోపింగ్, విద్యుత్ లేదా ఆప్టికల్ పద్ధతుల ద్వారా సిలికాన్ పదార్థంలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ సంఖ్యను మార్చడం వలన దాని సంక్లిష్ట వక్రీభవన సూచికను మార్చవచ్చు, ఈ ప్రక్రియ 1550 నానోమీటర్ల తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద సోరెఫ్ మరియు బెన్నెట్ నుండి పొందిన డేటాను ఫిట్ చేయడం ద్వారా సమీకరణాలు (1,2) లో చూపబడింది. ఎలక్ట్రాన్లతో పోలిస్తే, హోల్స్ వాస్తవ మరియు కాల్పనిక వక్రీభవన సూచిక మార్పులలో ఎక్కువ భాగాన్ని కలిగిస్తాయి, అంటే, అవి ఇచ్చిన నష్ట మార్పుకు పెద్ద దశ మార్పును ఉత్పత్తి చేయగలవు, కాబట్టిమాక్-జెండర్ మాడ్యులేటర్లుమరియు రింగ్ మాడ్యులేటర్లలో, రంధ్రాలను ఉపయోగించి తయారు చేయడానికి సాధారణంగా ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది.దశ మాడ్యులేటర్లు.

వివిధసిలికాన్ (Si) మాడ్యులేటర్రకాలు పటం 10Aలో చూపబడ్డాయి. ఒక క్యారియర్ ఇంజెక్షన్ మాడ్యులేటర్‌లో, కాంతి చాలా వెడల్పైన pn జంక్షన్‌లోని ఇంట్రిన్సిక్ సిలికాన్‌లో ఉంటుంది, మరియు ఎలక్ట్రాన్లు, హోల్స్ ఇంజెక్ట్ చేయబడతాయి. అయితే, ఇటువంటి మాడ్యులేటర్లు నెమ్మదిగా ఉంటాయి, సాధారణంగా 500 MHz బ్యాండ్‌విడ్త్‌తో ఉంటాయి, ఎందుకంటే ఇంజెక్షన్ తర్వాత స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ పునఃసంయోగం చెందడానికి ఎక్కువ సమయం పడుతుంది. అందువల్ల, ఈ నిర్మాణం తరచుగా మాడ్యులేటర్‌గా కాకుండా వేరియబుల్ ఆప్టికల్ అటెన్యూయేటర్ (VOA)గా ఉపయోగించబడుతుంది. ఒక క్యారియర్ డిప్లీషన్ మాడ్యులేటర్‌లో, కాంతి భాగం ఒక ఇరుకైన pn జంక్షన్‌లో ఉంటుంది, మరియు pn జంక్షన్ యొక్క డిప్లీషన్ వెడల్పును ప్రయోగించిన విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా మార్చబడుతుంది. ఈ మాడ్యులేటర్ 50Gb/s కంటే ఎక్కువ వేగంతో పనిచేయగలదు, కానీ అధిక బ్యాక్‌గ్రౌండ్ ఇన్సర్షన్ లాస్‌ను కలిగి ఉంటుంది. సాధారణ vpil 2 V-cm ఉంటుంది. ఒక మెటల్ ఆక్సైడ్ సెమీకండక్టర్ (MOS) (వాస్తవానికి సెమీకండక్టర్-ఆక్సైడ్-సెమీకండక్టర్) మాడ్యులేటర్‌లో pn జంక్షన్‌లో ఒక పలుచని ఆక్సైడ్ పొర ఉంటుంది. ఇది కొంత క్యారియర్ సంచయనాన్ని అలాగే క్యారియర్ క్షీణతను అనుమతిస్తుంది, దీనివల్ల సుమారు 0.2 V-cm ఉండే చిన్న VπL సాధ్యమవుతుంది, కానీ అధిక ఆప్టికల్ నష్టాలు మరియు యూనిట్ పొడవుకు అధిక కెపాసిటెన్స్ అనే ప్రతికూలతలు దీనికి ఉన్నాయి. దీనికి అదనంగా, SiGe (సిలికాన్ జెర్మేనియం మిశ్రమం) బ్యాండ్ ఎడ్జ్ కదలిక ఆధారంగా పనిచేసే SiGe విద్యుత్ శోషణ మాడ్యులేటర్లు ఉన్నాయి. అంతేకాకుండా, శోషక లోహాలు మరియు పారదర్శక ఇన్సులేటర్ల మధ్య మారడానికి గ్రాఫేన్‌పై ఆధారపడే గ్రాఫేన్ మాడ్యులేటర్లు కూడా ఉన్నాయి. అధిక-వేగం, తక్కువ-నష్టం గల ఆప్టికల్ సిగ్నల్ మాడ్యులేషన్‌ను సాధించడానికి వివిధ యంత్రాంగాల అనువర్తనాలలోని వైవిధ్యాన్ని ఇవి ప్రదర్శిస్తాయి.

పటం 10: (A) వివిధ సిలికాన్ ఆధారిత ఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్ డిజైన్‌ల క్రాస్-సెక్షనల్ రేఖాచిత్రం మరియు (B) ఆప్టికల్ డిటెక్టర్ డిజైన్‌ల క్రాస్-సెక్షనల్ రేఖాచిత్రం.

పటం 10Bలో అనేక సిలికాన్ ఆధారిత కాంతి డిటెక్టర్లు చూపబడ్డాయి. శోషక పదార్థం జర్మేనియం (Ge). Ge సుమారు 1.6 మైక్రాన్ల వరకు తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద కాంతిని శోషించగలదు. ఎడమవైపున నేడు వాణిజ్యపరంగా అత్యంత విజయవంతమైన పిన్ నిర్మాణం చూపబడింది. ఇది P-రకం డోప్ చేయబడిన సిలికాన్‌తో కూడి ఉంటుంది, దానిపై Ge పెరుగుతుంది. Ge మరియు Si లకు 4% లాటిస్ మిస్‌మ్యాచ్ ఉంది, మరియు డిస్‌లొకేషన్‌ను తగ్గించడానికి, మొదట SiGe యొక్క పలుచని పొరను బఫర్ పొరగా పెంచుతారు. Ge పొర పైన N-రకం డోపింగ్ చేయబడుతుంది. మధ్యలో ఒక మెటల్-సెమీకండక్టర్-మెటల్ (MSM) ఫోటోడయోడ్ మరియు ఒక APD (హిమపాతం ఫోటోడిటెక్టర్) కుడి వైపున చూపబడింది. APDలోని అవలాంచ్ ప్రాంతం Siలో ఉంది, దీనికి గ్రూప్ III-V మూలక పదార్థాలలోని అవలాంచ్ ప్రాంతంతో పోలిస్తే తక్కువ శబ్ద లక్షణాలు ఉన్నాయి.

ప్రస్తుతం, సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్‌తో ఆప్టికల్ గెయిన్‌ను ఏకీకృతం చేయడంలో స్పష్టమైన ప్రయోజనాలున్న పరిష్కారాలు ఏవీ లేవు. పటం 11, అసెంబ్లీ స్థాయి ప్రకారం వర్గీకరించబడిన అనేక సాధ్యమైన ఎంపికలను చూపుతుంది. ఎడమ చివరన ఉన్నవి మోనోలిథిక్ ఇంటిగ్రేషన్లు, వీటిలో ఆప్టికల్ గెయిన్ మెటీరియల్‌గా ఎపిటాక్సియల్‌గా పెంచిన జెర్మేనియం (Ge), ఎర్బియం-డోప్డ్ (Er) గ్లాస్ వేవ్‌గైడ్‌లు (Al2O3 వంటివి, వీటికి ఆప్టికల్ పంపింగ్ అవసరం), మరియు ఎపిటాక్సియల్‌గా పెంచిన గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) క్వాంటం డాట్‌ల వాడకం ఉంటాయి. తర్వాతి కాలమ్ వేఫర్ టు వేఫర్ అసెంబ్లీ, ఇందులో III-V గ్రూప్ గెయిన్ ప్రాంతంలో ఆక్సైడ్ మరియు ఆర్గానిక్ బాండింగ్ ఉంటుంది. ఆ తర్వాతి కాలమ్ చిప్-టు-వేఫర్ అసెంబ్లీ, దీనిలో III-V గ్రూప్ చిప్‌ను సిలికాన్ వేఫర్ యొక్క కావిటీలో అమర్చి, ఆ తర్వాత వేవ్‌గైడ్ నిర్మాణాన్ని మెషీనింగ్ చేయడం జరుగుతుంది. ఈ మొదటి మూడు కాలమ్ విధానం యొక్క ప్రయోజనం ఏమిటంటే, పరికరాన్ని కత్తిరించడానికి ముందే వేఫర్ లోపల దాని పూర్తి పనితీరును పరీక్షించవచ్చు. కుడి వైపున ఉన్న చివరి కాలమ్ చిప్-టు-చిప్ అసెంబ్లీకి సంబంధించినది. ఇందులో సిలికాన్ చిప్‌లను III-V గ్రూప్ చిప్‌లకు నేరుగా కలపడం, అలాగే లెన్స్ మరియు గ్రేటింగ్ కప్లర్‌ల ద్వారా కలపడం కూడా ఉన్నాయి. వాణిజ్య అనువర్తనాల వైపు ధోరణి చార్టులో కుడి వైపు నుండి ఎడమ వైపుకు, మరింత సమీకృత మరియు సమగ్ర పరిష్కారాల వైపు కదులుతోంది.

పటం 11: సిలికాన్ ఆధారిత ఫోటోనిక్స్‌లో ఆప్టికల్ గెయిన్‌ను ఎలా అనుసంధానిస్తారో. మీరు ఎడమ నుండి కుడికి వెళ్లే కొద్దీ, తయారీ చొప్పించే బిందువు ప్రక్రియలో క్రమంగా వెనుకకు కదులుతుంది.