സിലിക്കൺ ഫോട്ടോണിക്സ് സജീവ മൂലകം

സിലിക്കൺ ഫോട്ടോണിക്സ് സജീവ മൂലകം

ഫോട്ടോണിക്‌സിലെ സജീവ ഘടകങ്ങൾ പ്രകാശത്തിനും ദ്രവ്യത്തിനും ഇടയിൽ മനഃപൂർവ്വം രൂപകൽപ്പന ചെയ്‌ത ചലനാത്മക ഇടപെടലുകളെയാണ് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഫോട്ടോണിക്‌സിലെ ഒരു സാധാരണ സജീവ ഘടകം ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററാണ്. നിലവിലുള്ള എല്ലാ സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിതവുംഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററുകൾപ്ലാസ്മ രഹിത കാരിയർ പ്രഭാവത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളവയാണ്. ഡോപ്പിംഗ്, ഇലക്ട്രിക്കൽ അല്ലെങ്കിൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ രീതികൾ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു സിലിക്കൺ മെറ്റീരിയലിലെ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും ദ്വാരങ്ങളുടെയും എണ്ണം മാറ്റുന്നത് അതിന്റെ സങ്കീർണ്ണമായ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചികയെ മാറ്റും, 1550 നാനോമീറ്റർ തരംഗദൈർഘ്യത്തിൽ സോറെഫിൽ നിന്നും ബെന്നറ്റിൽ നിന്നും ഡാറ്റ ഘടിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് ലഭിച്ച സമവാക്യങ്ങളിൽ (1,2) കാണിച്ചിരിക്കുന്ന ഒരു പ്രക്രിയ. ഇലക്ട്രോണുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, ദ്വാരങ്ങൾ യഥാർത്ഥവും സാങ്കൽപ്പികവുമായ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക മാറ്റങ്ങളുടെ ഒരു വലിയ അനുപാതത്തിന് കാരണമാകുന്നു, അതായത്, നൽകിയിരിക്കുന്ന നഷ്ട മാറ്റത്തിന് അവയ്ക്ക് ഒരു വലിയ ഘട്ടം മാറ്റം സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയും, അതിനാൽമാക്-സെഹെൻഡർ മോഡുലേറ്ററുകൾറിംഗ് മോഡുലേറ്ററുകളും, സാധാരണയായി ദ്വാരങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിക്കുന്നതാണ് നല്ലത്ഫേസ് മോഡുലേറ്ററുകൾ.

വിവിധസിലിക്കൺ (Si) മോഡുലേറ്റർചിത്രം 10A-യിൽ തരങ്ങൾ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ഒരു കാരിയർ ഇഞ്ചക്ഷൻ മോഡുലേറ്ററിൽ, പ്രകാശം വളരെ വിശാലമായ പിൻ ജംഗ്ഷനുള്ളിൽ ആന്തരിക സിലിക്കണിലാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്, ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും കുത്തിവയ്ക്കപ്പെടുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, അത്തരം മോഡുലേറ്ററുകൾ മന്ദഗതിയിലാണ്, സാധാരണയായി 500 MHz ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ഉള്ളതിനാൽ, സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും കുത്തിവയ്ക്കലിനുശേഷം വീണ്ടും സംയോജിപ്പിക്കാൻ കൂടുതൽ സമയമെടുക്കും. അതിനാൽ, ഈ ഘടന പലപ്പോഴും മോഡുലേറ്ററിനേക്കാൾ വേരിയബിൾ ഒപ്റ്റിക്കൽ അറ്റൻവേറ്ററായി (VOA) ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഒരു കാരിയർ ഡിപ്ലിഷൻ മോഡുലേറ്ററിൽ, പ്രകാശ ഭാഗം ഒരു ഇടുങ്ങിയ പിഎൻ ജംഗ്ഷനിലാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്, കൂടാതെ പിഎൻ ജംഗ്ഷന്റെ ഡിപ്ലിഷൻ വീതി ഒരു പ്രയോഗിച്ച വൈദ്യുത മണ്ഡലത്താൽ മാറ്റപ്പെടുന്നു. ഈ മോഡുലേറ്ററിന് 50Gb/s-ൽ കൂടുതൽ വേഗതയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും, പക്ഷേ ഉയർന്ന പശ്ചാത്തല ഇൻസേർഷൻ നഷ്ടമുണ്ട്. സാധാരണ vpil 2 V-cm ആണ്. ഒരു മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ് സെമികണ്ടക്ടർ (MOS) (യഥാർത്ഥത്തിൽ സെമികണ്ടക്ടർ-ഓക്സൈഡ്-അർദ്ധചാലകം) മോഡുലേറ്ററിൽ ഒരു പിഎൻ ജംഗ്ഷനിൽ ഒരു നേർത്ത ഓക്സൈഡ് പാളി അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഇത് കാരിയർ ഡിപ്ലിഷനോടൊപ്പം ചില കാരിയർ ശേഖരണവും അനുവദിക്കുന്നു, ഇത് ഏകദേശം 0.2 V-cm ന്റെ ചെറിയ VπL അനുവദിക്കുന്നു, എന്നാൽ ഉയർന്ന ഒപ്റ്റിക്കൽ നഷ്ടങ്ങളും യൂണിറ്റ് നീളത്തിൽ ഉയർന്ന കപ്പാസിറ്റൻസും എന്ന പോരായ്മയുണ്ട്. കൂടാതെ, SiGe (സിലിക്കൺ ജെർമേനിയം അലോയ്) ബാൻഡ് എഡ്ജ് ചലനത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള SiGe ഇലക്ട്രിക്കൽ അബ്സോർപ്ഷൻ മോഡുലേറ്ററുകളും ഉണ്ട്. കൂടാതെ, ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന ലോഹങ്ങൾക്കും സുതാര്യമായ ഇൻസുലേറ്ററുകൾക്കും ഇടയിൽ മാറാൻ ഗ്രാഫീനെ ആശ്രയിക്കുന്ന ഗ്രാഫീൻ മോഡുലേറ്ററുകളും ഉണ്ട്. ഉയർന്ന വേഗതയുള്ള, കുറഞ്ഞ നഷ്ടമുള്ള ഒപ്റ്റിക്കൽ സിഗ്നൽ മോഡുലേഷൻ നേടുന്നതിന് വ്യത്യസ്ത സംവിധാനങ്ങളുടെ പ്രയോഗങ്ങളുടെ വൈവിധ്യം ഇവ പ്രകടമാക്കുന്നു.

ചിത്രം 10: (എ) വിവിധ സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്റർ ഡിസൈനുകളുടെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഡയഗ്രം, (ബി) ഒപ്റ്റിക്കൽ ഡിറ്റക്ടർ ഡിസൈനുകളുടെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഡയഗ്രം.

ചിത്രം 10B-യിൽ നിരവധി സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ലൈറ്റ് ഡിറ്റക്ടറുകൾ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന വസ്തു ജെർമേനിയം (Ge) ആണ്. ഏകദേശം 1.6 മൈക്രോൺ വരെയുള്ള തരംഗദൈർഘ്യത്തിൽ പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യാൻ Ge-ക്ക് കഴിയും. ഇടതുവശത്ത് കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് ഇന്ന് ഏറ്റവും വാണിജ്യപരമായി വിജയകരമായ പിൻ ഘടനയാണ്. Ge വളരുന്ന P-ടൈപ്പ് ഡോപ്പ്ഡ് സിലിക്കൺ ഇതിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. Ge, Si എന്നിവയ്ക്ക് 4% ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് ഉണ്ട്, കൂടാതെ സ്ഥാനഭ്രംശം കുറയ്ക്കുന്നതിന്, SiGe യുടെ ഒരു നേർത്ത പാളി ആദ്യം ഒരു ബഫർ പാളിയായി വളർത്തുന്നു. Ge ലെയറിന്റെ മുകളിൽ N-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് നടത്തുന്നു. മധ്യത്തിൽ ഒരു ലോഹ-അർദ്ധചാലക-ലോഹ (MSM) ഫോട്ടോഡയോഡും, ഒരു APD (ഹിമപാത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ) വലതുവശത്ത് കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. APD-യിലെ ഹിമപാത മേഖല Si-യിലാണ് സ്ഥിതി ചെയ്യുന്നത്, ഗ്രൂപ്പ് III-V മൂലക വസ്തുക്കളിലെ ഹിമപാത മേഖലയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ഇതിന് കുറഞ്ഞ ശബ്ദ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ ഉണ്ട്.

നിലവിൽ, സിലിക്കൺ ഫോട്ടോണിക്സുമായി ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗെയിൻ സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിൽ വ്യക്തമായ ഗുണങ്ങളുള്ള പരിഹാരങ്ങളൊന്നുമില്ല. അസംബ്ലി ലെവൽ അനുസരിച്ച് ക്രമീകരിച്ച നിരവധി സാധ്യമായ ഓപ്ഷനുകൾ ചിത്രം 11 കാണിക്കുന്നു. ഇടതുവശത്ത് ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗെയിൻ മെറ്റീരിയലായി എപ്പിറ്റാക്സിയലി ഗ്രോൺ ചെയ്ത ജെർമേനിയം (Ge) ഉപയോഗിക്കുന്നതും, എർബിയം-ഡോപ്പ് ചെയ്ത (Er) ഗ്ലാസ് വേവ്ഗൈഡുകൾ (ഒപ്റ്റിക്കൽ പമ്പിംഗ് ആവശ്യമുള്ള Al2O3 പോലുള്ളവ), എപ്പിറ്റാക്സിയലി ഗ്രോൺ ചെയ്ത ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs) ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്ന മോണോലിത്തിക് ഇന്റഗ്രേഷനുകൾ ഉണ്ട്. അടുത്ത കോളം വേഫർ ടു വേഫർ അസംബ്ലിയാണ്, III-V ഗ്രൂപ്പ് ഗെയിൻ മേഖലയിൽ ഓക്സൈഡും ഓർഗാനിക് ബോണ്ടിംഗും ഇതിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു. അടുത്ത കോളം ചിപ്പ്-ടു-വേഫർ അസംബ്ലിയാണ്, ഇതിൽ III-V ഗ്രൂപ്പ് ചിപ്പ് സിലിക്കൺ വേഫറിന്റെ അറയിലേക്ക് ഉൾച്ചേർക്കുകയും തുടർന്ന് വേവ്ഗൈഡ് ഘടന മെഷീൻ ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ ആദ്യത്തെ മൂന്ന് കോളം സമീപനത്തിന്റെ പ്രയോജനം, മുറിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് ഉപകരണം വേഫറിനുള്ളിൽ പൂർണ്ണമായും പ്രവർത്തനക്ഷമമായി പരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയും എന്നതാണ്. ഏറ്റവും വലതുവശത്തുള്ള കോളം ചിപ്പ്-ടു-ചിപ്പ് അസംബ്ലിയാണ്, സിലിക്കൺ ചിപ്പുകൾ III-V ഗ്രൂപ്പ് ചിപ്പുകളിലേക്ക് നേരിട്ട് കപ്ലിംഗ് ചെയ്യുന്നതും ലെൻസും ഗ്രേറ്റിംഗ് കപ്ലറുകളും വഴി കപ്ലിംഗ് ചെയ്യുന്നതും ഉൾപ്പെടുന്നു. വാണിജ്യ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിലേക്കുള്ള പ്രവണത ചാർട്ടിന്റെ വലതുവശത്ത് നിന്ന് ഇടതുവശത്തേക്ക് കൂടുതൽ സംയോജിതവും സംയോജിതവുമായ പരിഹാരങ്ങളിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു.

ചിത്രം 11: സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത ഫോട്ടോണിക്സിൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗെയിൻ എങ്ങനെ സംയോജിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. നിങ്ങൾ ഇടത്തുനിന്ന് വലത്തോട്ട് നീങ്ങുമ്പോൾ, പ്രക്രിയയിൽ നിർമ്മാണ ഉൾപ്പെടുത്തൽ പോയിന്റ് ക്രമേണ പിന്നോട്ട് നീങ്ങുന്നു.