సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్ క్రియాశీల మూలకం

సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్ క్రియాశీల మూలకం

ఫోటోనిక్స్ క్రియాశీల భాగాలు ప్రత్యేకంగా కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య ఉద్దేశపూర్వకంగా రూపొందించబడిన డైనమిక్ పరస్పర చర్యలను సూచిస్తాయి. ఫోటోనిక్స్ యొక్క ఒక సాధారణ క్రియాశీల భాగం ఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్. ప్రస్తుత సిలికాన్ ఆధారితఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్లుప్లాస్మా రహిత వాహక ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. డోపింగ్, విద్యుత్ లేదా ఆప్టికల్ పద్ధతుల ద్వారా సిలికాన్ పదార్థంలోని స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాల సంఖ్యను మార్చడం వలన దాని సంక్లిష్ట వక్రీభవన సూచిక మారవచ్చు, ఈ ప్రక్రియ 1550 నానోమీటర్ల తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద సోరెఫ్ మరియు బెన్నెట్ నుండి డేటాను అమర్చడం ద్వారా పొందిన సమీకరణాలు (1,2)లో చూపబడింది. ఎలక్ట్రాన్లతో పోలిస్తే, రంధ్రాలు నిజమైన మరియు ఊహాత్మక వక్రీభవన సూచిక మార్పులలో ఎక్కువ భాగాన్ని కలిగిస్తాయి, అంటే, ఇచ్చిన నష్ట మార్పుకు అవి పెద్ద దశ మార్పును ఉత్పత్తి చేయగలవు, కాబట్టిమాక్-జెహెండర్ మాడ్యులేటర్లుమరియు రింగ్ మాడ్యులేటర్లు, సాధారణంగా రంధ్రాలను ఉపయోగించి తయారు చేయడం మంచిదిదశ మాడ్యులేటర్లు.

వివిధసిలికాన్ (Si) మాడ్యులేటర్రకాలు Figure 10A లో చూపబడ్డాయి. క్యారియర్ ఇంజెక్షన్ మాడ్యులేటర్‌లో, కాంతి చాలా విస్తృత పిన్ జంక్షన్ లోపల అంతర్గత సిలికాన్‌లో ఉంటుంది మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఇంజెక్ట్ చేయబడతాయి. అయితే, ఇటువంటి మాడ్యులేటర్లు నెమ్మదిగా ఉంటాయి, సాధారణంగా 500 MHz బ్యాండ్‌విడ్త్‌తో ఉంటాయి, ఎందుకంటే ఉచిత ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఇంజెక్షన్ తర్వాత తిరిగి కలపడానికి ఎక్కువ సమయం పడుతుంది. అందువల్ల, ఈ నిర్మాణం తరచుగా మాడ్యులేటర్‌గా కాకుండా వేరియబుల్ ఆప్టికల్ అటెన్యూయేటర్ (VOA)గా ఉపయోగించబడుతుంది. క్యారియర్ డిప్లిషన్ మాడ్యులేటర్‌లో, కాంతి భాగం ఇరుకైన pn జంక్షన్‌లో ఉంటుంది మరియు pn జంక్షన్ యొక్క డిప్లిషన్ వెడల్పు అనువర్తిత విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా మార్చబడుతుంది. ఈ మాడ్యులేటర్ 50Gb/s కంటే ఎక్కువ వేగంతో పనిచేయగలదు, కానీ అధిక నేపథ్య చొప్పించే నష్టాన్ని కలిగి ఉంటుంది. సాధారణ vpil 2 V-cm. మెటల్ ఆక్సైడ్ సెమీకండక్టర్ (MOS) (వాస్తవానికి సెమీకండక్టర్-ఆక్సైడ్-సెమీకండక్టర్) మాడ్యులేటర్ pn జంక్షన్‌లో సన్నని ఆక్సైడ్ పొరను కలిగి ఉంటుంది. ఇది కొంత క్యారియర్ సంచితాన్ని అలాగే క్యారియర్ క్షీణతను అనుమతిస్తుంది, ఇది దాదాపు 0.2 V-cm యొక్క చిన్న VπLని అనుమతిస్తుంది, కానీ అధిక ఆప్టికల్ నష్టాలు మరియు యూనిట్ పొడవుకు అధిక కెపాసిటెన్స్ యొక్క ప్రతికూలతను కలిగి ఉంటుంది. అదనంగా, SiGe (సిలికాన్ జెర్మేనియం మిశ్రమం) బ్యాండ్ అంచు కదలిక ఆధారంగా SiGe విద్యుత్ శోషణ మాడ్యులేటర్లు ఉన్నాయి. అదనంగా, శోషక లోహాలు మరియు పారదర్శక అవాహకాల మధ్య మారడానికి గ్రాఫేన్‌పై ఆధారపడే గ్రాఫేన్ మాడ్యులేటర్లు ఉన్నాయి. ఇవి అధిక-వేగం, తక్కువ-నష్ట ఆప్టికల్ సిగ్నల్ మాడ్యులేషన్‌ను సాధించడానికి వివిధ విధానాల అనువర్తనాల వైవిధ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి.

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

అనేక సిలికాన్-ఆధారిత కాంతి డిటెక్టర్లు Figure 10Bలో చూపబడ్డాయి. శోషక పదార్థం జెర్మేనియం (Ge). Ge దాదాపు 1.6 మైక్రాన్ల వరకు తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద కాంతిని గ్రహించగలదు. ఎడమ వైపున చూపబడినది నేడు అత్యంత వాణిజ్యపరంగా విజయవంతమైన పిన్ నిర్మాణం. ఇది P-రకం డోప్డ్ సిలికాన్‌తో కూడి ఉంటుంది, దానిపై Ge పెరుగుతుంది. Ge మరియు Si లు 4% లాటిస్ అసమతుల్యతను కలిగి ఉంటాయి మరియు స్థానభ్రంశాన్ని తగ్గించడానికి, SiGe యొక్క పలుచని పొరను మొదట బఫర్ పొరగా పెంచుతారు. Ge పొర పైభాగంలో N-రకం డోపింగ్ నిర్వహిస్తారు. మధ్యలో ఒక మెటల్-సెమీకండక్టర్-మెటల్ (MSM) ఫోటోడియోడ్ చూపబడింది మరియు ఒక APD (హిమపాతం ఫోటోడిటెక్టర్) కుడి వైపున చూపబడింది. APD లోని హిమపాతం ప్రాంతం Si లో ఉంది, ఇది గ్రూప్ III-V మూలక పదార్థాలలోని హిమపాతం ప్రాంతంతో పోలిస్తే తక్కువ శబ్ద లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది.

ప్రస్తుతం, సిలికాన్ ఫోటోనిక్స్‌తో ఆప్టికల్ గెయిన్‌ను అనుసంధానించడంలో స్పష్టమైన ప్రయోజనాలతో కూడిన పరిష్కారాలు లేవు. చిత్రం 11 అసెంబ్లీ స్థాయి ద్వారా నిర్వహించబడిన అనేక సాధ్యమైన ఎంపికలను చూపిస్తుంది. ఎడమ వైపున ఎపిటాక్సియల్‌గా పెరిగిన జెర్మేనియం (Ge)ని ఆప్టికల్ గెయిన్ మెటీరియల్‌గా ఉపయోగించడం, ఎర్బియం-డోప్డ్ (Er) గ్లాస్ వేవ్‌గైడ్‌లు (ఆప్టికల్ పంపింగ్ అవసరమయ్యే Al2O3 వంటివి) మరియు ఎపిటాక్సియల్‌గా పెరిగిన గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) క్వాంటం డాట్‌లు వంటి మోనోలిథిక్ ఇంటిగ్రేషన్‌లు ఉన్నాయి. తదుపరి కాలమ్ వేఫర్ టు వేఫర్ అసెంబ్లీ, ఇందులో III-V గ్రూప్ గెయిన్ ప్రాంతంలో ఆక్సైడ్ మరియు ఆర్గానిక్ బాండింగ్ ఉంటాయి. తదుపరి కాలమ్ చిప్-టు-వేఫర్ అసెంబ్లీ, ఇందులో III-V గ్రూప్ చిప్‌ను సిలికాన్ వేఫర్ యొక్క కుహరంలోకి పొందుపరచడం మరియు వేవ్‌గైడ్ నిర్మాణాన్ని మ్యాచింగ్ చేయడం ఉంటుంది. ఈ మొదటి మూడు కాలమ్ విధానం యొక్క ప్రయోజనం ఏమిటంటే, పరికరాన్ని కత్తిరించే ముందు వేఫర్ లోపల పూర్తిగా ఫంక్షనల్‌గా పరీక్షించవచ్చు. కుడివైపున ఉన్న కాలమ్ చిప్-టు-చిప్ అసెంబ్లీ, ఇందులో సిలికాన్ చిప్‌లను III-V గ్రూప్ చిప్‌లకు నేరుగా కలపడం, అలాగే లెన్స్ మరియు గ్రేటింగ్ కప్లర్‌ల ద్వారా కలపడం వంటివి ఉన్నాయి. వాణిజ్య అనువర్తనాల వైపు ధోరణి చార్ట్ యొక్క కుడి నుండి ఎడమ వైపుకు మరింత సమగ్రమైన మరియు సమగ్ర పరిష్కారాల వైపు కదులుతోంది.

చిత్రం 11: సిలికాన్ ఆధారిత ఫోటోనిక్స్‌లో ఆప్టికల్ లాభం ఎలా విలీనం చేయబడింది. మీరు ఎడమ నుండి కుడికి కదులుతున్నప్పుడు, తయారీ చొప్పించే స్థానం ప్రక్రియలో క్రమంగా వెనుకకు కదులుతుంది.