آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

[jaafary1]

سلام به همگی
من فکر کردم که جای یه بحث در مورد مدارات مجتمع نوری اینجا خالیه. و به نظرم اومد که بهترین جا برای این موضوع بخش مدارات مجتمع باشه تا مخابرات نوری...
قبل از اینکه شروع کنم، می خوام نظر علاقه مندان و میزان آشناییتون رو بسنجم و ببینم از کجا باید شروع کنم و چه طور بنویسم. اگر بخواهیم این آشنایی با بیان جزئیات باشه خوبه که علاقه مندان فیزیک الکترونیک و الکترومغناطیس رو هم آشنا باشند. من برای اینکه بدونم چه طور مطالب رو پیش ببرم نیاز دارم از سطح علمی دوستان تا حدی باخبر بشم. بنابراین خیلی لطف می کنید که در نظر سنجی شرکت کنید اگر به موضوع علاقه مندید.خلاصه ای از موضوع رو در ادامه توضیح میدم:

دلایل زیادی وجود داره که باعث مجتمع سازی الکترونیک و فوتونیک میشه. از جمله این دلایل می تونیم به نیاز به پهنای باند بیشتر، نیاز به شبکه های نوری هوشمند، کاهش هزینه ها و مشکل تنگنای اتصالات الکتریکی در مدارات مجتمع CMOS اشاره کنیم. خب همه ما با الکترونیک آشنا هستیم، اما برای آشنایی بیشتر با فوتونیک باید بگم که فوتونیک شاخه ای از علم است که اساس اون فوتون های نور هستند. در مدارات فوتونیکی سیگنالها و داده ها توسط فوتون ها و یا به عبارت دیگه نور منتشر میشن. به همین دلیل ادوات پایه در مدارات مجتمع فوتونیکی لیزرها؛ موجبرها، مدولاتورها و آشکارسازهای نوری هستند. البته بسیاری از توابع نوری رو میشه بر مبنای موجبر با استفاده از آثار دینامیک و غیر خطی مختلف پیاده سازی کرد که از جمله اون ها شاید بد نباشه به تقویت کننده ها و یا تضعیف کننده های نوری؛ تبدیل کننده های طول موج، مدولاتورهای نوری و سوئیچ های نوری (که خودشون می توانند اساس گیت های نوری باشند)؛ اشاره کرد.

مدارات مجتمع نوری تا کنون بر روی سیستم های مواد مختلفی پیاده سازی شده اند که هر کدام مزایا و معایب خاص خودشون رو دارند؛ به عنوان مثال:
1- سیستم مواد لیتیوم نیوبیت: که دارای ضریب پاکلز (Pockels) بزرگ هست و برای پیاده سازی مدولاتورها استفاده شده
2- سیستم مواد سیلیکا بر سیلیکون: به علت اینکه جنس فیبرها نوری هم از سیلیکا هست، اتصال موجبرهای سیلیکایی مجتمع به فیبرهای نوری بسیار آسونه.
3- سیستم مواد سیلیکون بر عایق(SOI): مهم ترین مزیت استفاده از این سیستم سازگاری اون با تکنولوژی CMOS هست که باعث میشه مجتمع سازی الکترونیک و قوتونیک به صورت بسیار مقرون به صرفه عملی باشه. البته از مزایای دیگه اون ضریب شکست بالای سیلیکون هست که باعث افزایش حبس نور در موجبر و کاهش ابعاد موجبر میشه و همین طور آثار غیر خطی در موجبرهای سیلیکونی بسیار قوی هست (بیشتر از 100 برابر بزرگتر از فیبر) و بنابراین موجبرهای سیلیکونی برای پیاده سازی ادوات فوتونیکی بر مبنای آثار غیر خطی بسیار مناسبه!!

با این همه مزایایی که سیلیکون داره؛ شاخه ای از علم به وجود اومده که سیلیکون فوتونیک نامیده میشه. در سیلیکون فوتونیک تلاش بر این هست که تمام ادوات فوتونیکی با استفاده از هیمن سیلیکون ساخته بشه. البته سیلیکون یه عیبهایی هم داره که مهم ترین اونها این هست که یک نیمه هادی غیر مستقیم هست و بنابراین ساخت لیزر با بازده مناسب با استفاده از سیلیکون سخته و هنوزم که هنوزه اون طور که باید نیست...

در این تاپیک من می خوام شما رو با جنبه های مختلف سیلیکون فوتونیک آشنا کنم. اگر از بین دوستان کسی با این موضوع آشنا هست شاید با هم بتونیم این تاپیک رو پیش ببریم؟ اگر تا اینجا سوالی هست و یا پیشنهادی دارید مطرح کنید.

با سپاس

[jaafary1]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام،
با وجود اینکه تاکنون استقبال زیادی از موضوع نشده، به احترام دوستان علاقه مند شروع می کنم. در این قسمت می خوام کمی در مورد خصوصیات سیلیکون توضیح بدم و بگم چرا برای ساخت لیزر مناسب نیست. بعد هم یه سری راهکارهایی که تاکنون برای ساخت لیزرهای سیلیکونی استفاده شده و تونسته بازده رو افزایش بده معرفی میکنم؛ البته باید توجه داشت که بازده در این روش ها هنوز هم کافی نیست. چون این بخش نیاز به آشنایی با لیزرهای نیمه هادی و کوانتوم داره؛ خیلی وارد جزئیات نی شم. با این حال از دوستان هر کسی سوال داره حتما بپرسه...

نکته: اگه یه جاهایی کتاب صحبت می کنم . یه جاهایی خودمونی دلیلش اینه که بعضی جاها رو از مطالبی که قبلا خودم نوشتم گلچین می کنم و بعد برای ساده تر شدن خودم یه توضیحاتی رو اضافه می کنم امیدوارم این موضوع اذیتتون نکنه :biggrin:

به منظور آشنایی با خواص سیلیکون، در این قسمت مقایسه ای بین سیلیکون (Si) و گالیم آرسنیک (GaAs) که از مواد پرکاربرد در فوتونیک می باشد، انجام خواهیم داد.
تفاوت در خواص الکترونیکی و اپتیکی این دو ماده از تفاوت در ساختارهای کریستالی آنها ناشی می شود. سیلیکون دارای ساختار کریستالی الماس است که در آن دو شبکه مکعبی FCC ، با فاصله 1/4 قطر بدنه مکعب از هم جدا شده اند. در حالیکه گالیم آرسنیک دارای ساختار سولفید روی است که مشابه ساختار الماسی از دو شبکه FCC با فاصله 1/4 قطر بدنه مکعب از یکدیگر تشکیل شده است با این تفاوت که جنس اتم های هر یک از شبکه های FCC یا گالیم است یا آرسنیک.

توضیح: ساختارهای کریستالی مختلفی وجود دارند که نشون دهنده این هست که اتم ها در مواد مختلف چه طور قرار می گیرند. ساده ترین آن ها SC=Simple Cubic
هست. برای اینکه بدونید این شبکه کریستالی چه طور هست یک مکعب رو تصور کنید که روی هر راس اون یه اتم قرار گرفته حالا این مکعب ها در ماده در کنار هم قرار می گیرند و کل ماده رو تشکیل می دهند (آسونه نه؟)
ساختار کریستالی بعدی BCC=Body Cente Cubic هست که مثل همون ساختار SC هست که یه اتم هم دقیقادر مرکز مکعب قرار گرفته :agree:
ساختار نهایی FCC=Face Center Cubic هست این ساختار همون ساختار SC هست که در وسط هر وجه مکعب یه اتم قرار گرفته
اما ساختار الماسی و سولفید روی از دو تا شبکه FCC تشکیل شده اند که از نظر مکانی با هم فاصله 1/4 رو دارند.

بسیار خب ساختار کریستالی سیلیکون:


و ساختار کریستالی گالیم آرسنیک:


سیلیکون دارای باند انرژی غیر مستقیم می باشد، بدین معنی که حداقل باند هدایت و حداکثر باند ظرفیت مقابل یکدیگر قرار نگرفته اند. اگر الکترونی از باند هدایت به باند ظرفیت انتقال یابد، این انتقال و تغییر انرژی همراه با تغییر مومنتوم خواهد بود که به صورت فونون در شبکه کریستالی ظاهر می شود.
این در حالیست که گالیم آرسنیک یک نیمه هادی مستقیم با حداقل باند ظرفیت و حداکثر باند هدایت مقابل هم، می باشد. بنابراین انتقال الکترون از باند هدایت به باند ظرفیت بدون تغییر مومنتوم خواهد بود و تغییر انرژی به صورت فوتون آشکار می شود. ساختار باند های انرژی در شکل زیر می تونید ببینید که در اون خطوط قرمز رو کشیدم تا راحت تر متوجه مستقیم بودن و یا غیر مستقیم بودن بشید:



توضیح: وقتی یه نیمه هادی مستقیم باشه موقعی که یک الکترون از باند هدایت به باند ظرفیت بر می گرده؛ انرژی اش رو به صورت نور (فوتون) آزاد می کنه (تابش خودبخودی). اما در نیمه هادی های غیر مستقیم این انرژی باعث تولید فوتون نمی شه بلکه فونون ایجاد می کنه یعنی اینکه انرژی اضافی به اتم ها داده می شه و باعث ارتعاش اتم ها و ایجاد گرما میشه. این چیزهایی که گفتم به این معنی نیست که در نیمه هادی مستقیم فونون نداریم و یا در نیمه هادی غیر مستقیم فوتون نداریم. اینکه چه میزان فوتون و فونون در هر ماده ای وجود داره با احتمال بیان میشه و گفته میشه که احتمال تولید فوتون در نیمه هادی مستقیم خیلی بیشتر از نیمه هادی غیر مستقیم هست.
به طور کلی احتمال تابش خود بخودی در گالیم آرسنیک بالاست و برای سیلیکون ناچیز است. به عبارت دیگر طول عمر تابشی در سیلیکون طولانی (چند میلی ثانیه) و برای گالیم آرسنیک کوتاه (چند نانو ثانیه) است. پس در سیلیکون بازترکیب غیر تشعشعی غالب است و این مسئله باعث می شود که بازده نورافشانی در آن کم باشد.
بنابراین، سیلیکون برای ساخت منابع نور مناسب نیست و بزرگترین مسئله که در مجتمع سازی الکترونیک و فوتونیک و سیلیکون فوتونیک با آن روبرو هستیم عدم وجود منابع نور سیلیکونی با بازده خوب می باشد. روش های مختلفی برای تولید نور در سیلیکون استفاده شده که من در اینجا فقط به ذکر نام اکتفا می کنم چون بیان با جزئیات اون ها پیچیده هست:

مهندسی مواد به طور وسیعی برای غلبه بر محدودیت های ناشی از باند انرژی غیر مستقیم سیلیکون در غالب روش های مختلف بکار گرفته شده است، معمولا در روش های مختلف اهداف زیر مد نظر قرار می گیرند:
• افزایش بازده نور افشانی با افزایش هم پوشانی توابع موج الکترون و حفره، که با روش های مبتنی بر حبس شدگی کوانتومی (Quantum Confinement) یا روش های مبتنی بر مهندسی ساختار باند (Band structure engineering) انرژی قابل حصول است.
• تنظیم طول موج انتشار با اضافه کردن آلیاژهای مناسب به ماده.
• ایجاد مراکز بازترکیب محلی با اضافه کردن ناخالصی به ماده.
• استفاده از انتقالات درون باندی (Intraband transitions) (برای سیلیکون، انتقالات درون باند ظرفیت )، در این صورت باند انرژی غیر مستقیم سیلیکون نقشی در فرآیند نوردهی ایفا نمی کند.


درسته که دارم در مورد منابع نور صحبت میکنم، ولی به نظرم خوبه که همین جا عیب دیگر سیلیکون مطرح بشه. ساختار کریستالی سیلیکون ساختاری متقارن هست و این مسئله باعث به صفر رسیدن ضرایب الکترو-اپتیک خطی سیلیکون میشه که خودش کاربردهایی داره برای غلبه بر این مشکل از روش مهندسی تنش (Stress Engineering) استفاده شده. در این روش با ایجاد Stress بر روی موجبر سیلیکونی، تقارن کریستالی ور بهم می ریزند تا ضرایب الکترو اپتیک صفر نباشه!! :mrgreen:

دفعات بعد؛ سعی می کنم موضوع رو به طور کاربردی به شما معرفی کنم تا تئوری...

[voyager2020]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

دوست گرامی بنده واقعا علاقمند به این موضوع هستم و البته پیگیر مطالب- در صورت امکان منبعی هم معرفی کنید برای مطالعه ی بیشتر مخصوصا زبان اصلی و تایید شده
----
ساختار الماسی رو من تا قبل از این هرم چهار وجهی میدونستم -البته نمیدونم این همون ساختاره یا نه! چطور از 2 تا fcc تشکیل میشه با توجه به شکلهاتون میشه توضیح بدید کمی
----
منظورتون از 1/4 نسبت به شعاع اتم هست یا 1/4 ساختار؟
--
اینجا رو هم میشه توضیح بدید طول عمر تابشی به چی بستگی داره و چرا هر قدر بیشتر باشه بازده نوردهی کمتر هست؟
---
حبس شدگی کوانتومی یعنی چه حالتی تقریبا؟
--
متشکر

[jaafary1]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام جناب voyager عزیز،
در مورد منابع چند تا از بهترین ها رو اینجا به شما معرفی می کنم:
[1] D. J. Lockwood and L. Pavsei, Silicon Photonics, Springer, 2010.
[2] D. J. Lockwood and L. Pavsei, Silicon Photonics, Springer, 2003.
[3] کتاب Semiconductor laser از پروفوسور G. P. Agrawal

دو کتاب اول در مورد سیلیکون فوتونیک هست و یه مرور خیلی جامع بر روی کارهای انجام شده داره. کتاب سوم در مورد لیزرهای نیمه هادیه. در صورتیکه دوست دارید از اصول عملکرد لیزرهای نیمه هادی مطلع بشین به این کتاب مراجعه کنید.

بریم سراغ جواب به سوالاتون. سول اول و دوم: در مورد ساختار الماسی و قضیه 1/4
شکل زیر رو نگاه کنید، این شکل یک ساختار FCC هست:



حالا همین ساختار روردر نظر بگبرید که هر اتم اون را جابجا کرده باشیم به صورتیکه R'=(x+x/4)ax+(y+y/4)ay+(z+z/4)az
که در اون x, y, z مختصات فعلی اتم است و ax, ay, az منظور بردارهای یکه هست...
این فرمولی که نوشتم یعنی شما مختصات فضایی هر اتم رو درنظر میگیرید به هر یک از مقادیر x, y, z اون یک چهارم مقدار فعلی اضافه می کنید. شکلی در پست قبلی نشون داده شده فقط اتم هایی رو که درون یک مکعب قرار می گیرند رو نمایش میده. به همین دلیل شاید خیلی واضح نباشه. ولی اگه خوب دقت کنید می بینید که همین طور که می گم بدست اومده.

برای توضیح سوال سوم و چهارم شما، به نظرم بهتره یه کم در مورد اصول لیزرهای نیمه هادی صحبت کنیم.
ساده ترین شکل یک لیزر رو در شکل زیر می بینید:



در ساده ترین حالت (قسمت a) یک نیمه هادی نوع n یک نیمه هادی نوع p در کنار هم قرار می گیرند (به این ساختار homo-structure گفته میشه یعنی اینکه هر دو نیمه هادی نوع n و p از یک جنس و با انرژی باند یکسان شاخته شده اند). با بایاس مستقیم این پیوند الکترونها از نیمه هادی نوع n و حفره ها از نیمه هادی نوع p در نزدیکی ناحیه پیوند با هم باز ترکیب می شوند. و در صورتیکه نیمه هادی مستقیم باشد این باز تزکیب با تولید فوتون همراه است.
شاید شما بپرسید ای آقا حالا بازتزکیب چی هست؟ بازترکیب نقطه مقابل تولیده. ما یک فرآیند تولید حامل رو داریم که در اون یک الکترون از باند ظرفیت انرژی کافی برای آزاد شدن دریافت می کنه و وارد باند هدایت میشه. بدین ترتیب در باند هدایت الکترون آزاد داریم و در باند ظرفیت حفره آزاد داریم. این حفره ماهیت فیزیکی نداره فقط جای خالی الکترونه...
حالا وقتی یک الکترون از باند هدایت انرژیش رو از دست میده به باند ظرفیت برمیگرده و جای یه حفره رو میگیره به این فرآیند میگن بازترکیب...
خب انرژی آزاد شده در اثر بازترکیب میتونه باعث تولید نور (بازترکیب تشعشعی) یا باعث تولید فونون که نوعی از بازترکیب غیر تشعشعی است؛ بشه. علاوه بر این بازترکیب غیر تشعشعی؛ گاهی توسط یک سری فرآیندهای بازترکیبی دیگری مثل بازترکیب سطحی( که در اون بخاطر اینکه اتمهای سطح پیوندهای ناقصی دارند، الکترون رو جذب می کنند) و یا جذب الکترون توسط یک سری نقایص درون کریستال که تله هم نامیده می شوند؛ رخ می دهد.

در نیمه هادی های مستقیم بازترکیب تشعشعی بیشتره تا بازترکیب غیر تشعشعی... و در نیمه هادی های غیر مستقیم بازترکیب غیر تشعشعی بیشتره. بنابراین بنابراین تولید نور در نیمه هادی های مستقیم بیشتره... یعنی لیزرهای ساخته شده با نیمه هادی های مستقیم بازده بیشتری دارند.

قسمت b شکل؛ این شکل یک ساختار hetero-structure رو نشون میده که در اون بین دو لایه ی n و p که از یک نوع نیمه هادی با انرژی شکاف باند یکسان ساخته شده؛ یک لایه نیمه هادی دیگه با انرژی شکاف باند کمتر قرار میگیره.... حالا به شکل زیر توجه کنید:




این شکل به ترتیب نواحی n, p و ناحیه وسط رو نشون داده، بعد از آن سطوح انرژِی رو نشون داده و سپس ضرایب شکست نواحی مختلف و در نهایت نشون داده که نور بیشتر از کجا عبور می کنه. بحث حبس نور رو روی این شکل بخ خوبی میشه توضیح داد. به سزوح انرژی توجه کنید وقتی یک الکترون از نیمه هادی نوع n به سمت نیمه هادی نوع p حرکت می کنه (به دلیل بایاس مستقیم)... سر راهش یه چاه وجود داره که میوفته تو چاهو دیگه از اون طرف خارج شدنش سخت میشه!!! همین مسئله در مورد حفره هم وجود داره.... حالا که الکترونها و حفره ها توی چاهاهی مقابل هم گیر افتادند... احتمال اینکه با هم بازترکیب بشن بیشتره... حبش شدگی کوانتومی هم همین مفهوم رو داره... اگر بخوام با فرمول بندی کوانتومی توضیح بدم مطمئنا خوشتون نمیاد :mrgreen: (من که چندان نمی پسندم)

پس متوجه شدید که در قسمت b این شکل؛ ناحیه وسط باعث افزایش حبس الکترونها و حفره ها میشه... بازترکیب رو افزایش میده و بازده رو بیشتر میکنه... قسمت اعظم نور هم از همین قسمت منتشر میشه... به این ناحیه؛ ناحیه فعال هم میگن... اما دلیل اینکه نور بیشتر از طریق این قسمت منتشر میشه این هست که ناحیه وسط انرژی شکاف باند کوچکتری داره؛ ضریب شکست هر ماده ای با انرژی شکاف باند اون رابطه عکس داره بنابراین ناحیه وسط داره ضریب شکست بیشتری هست.. اگر نگاهی بر قوانین شکست نور داشته باشیم؛ فکر می کنم طبق قانون Snell، میشه نشون داد که بیشتر نور در ناحیه با ضریب شکست بالا (ناحیه میانی؛ ناحیه فعال) می مونه... این به عهده خودتون دیگه ...

حالا که تا اینجا رسیدیم بذارید تفاوت LED و لیزر رو هم براتون بگم؛ به شکل زیر توجه کنید:



این شکل انواع بازترکیب تشعشعی رو نشون میده؛ قسمت الف اون بازترکیب تشعشعی از نوع خودبخودی (Spontaneous) رو نشون میده که در اون الکترون ها با حفرها ترکیب میشن و فوتون ایجاد میشه. ولی فوتونهای ایجاد شده از نظر فرکانس و فاز مشابه نیستند!!! به همین دلیل با طی مسافت تضعیف میشن ...نور LED ها در این دسته قرار میگیرند...
قسمت دوم بازترکیب تشعشعی تحریک شده (Stimulated) رو نشون میده که در اون فوتون های تولید شده هم فاز و هم فرکانسند.... بنابراین فوتونها یک دیگر را تقویت می کنند، نوری به ما می دهند که تا مسافتهای طولانی تری هم قابل انتشار است... نور لیزر از این دسته است... اصطلاحا میگن نور لیزر دارای coherency زیاده...
در مورد نور لیزر یک جریان آستانه تعریف میشه که اگر جریان لیزر از اون کمتر باشه بیشتر بازترکیب خودبخودی رخ میده... اما اگر جریان از جریان آستانه بیشتر بشه بازترکیب تحریک شده بیشتره و در این حالت نور با مشخصات دلخواه رو داریم...

اما آخرین مطلب؛ اینه که طول عمر تابشی یا تشعشعی به چی ربط داره... این در اصل طول عمر حاملهای باری هست که در نهایت منجر به بازترکیب تشعشعی می شوند... طول عمر کل حاملهای بار با عکس بازترکیب کل که مجموع تمامی بازترکیبهای تشعشعی و غیر تشعشعی است رابطه داره به صورت:




ضرایب Anr و C ضرایب تعریف کننده بازترکیب غیر تشعشعی هستند... B ضریب بازترکیب تشعشعی خودبخودی و Rst ضریب بازترکیب تشعشعی تحریک شده. این ضرایب معمولا به صورت عملی اندازه گیری میشن... n چگالی حاملهای بار هست... Nph تعداد فوتون های موجود در محیط هست...
در مورد نیمه هادی های غیرمستقیم مسلما ظرایب Anr و C بزرگتر هست اما در مورد نیمه هادی های مستقیم B و Rst .... همین مسئله باعث میشه که برای نیمه هادی ها غیر مستقیم فوتون های کمی تولید بشه که اصلا به چشم نمی آید...
پس وقتی میگیم طول عمر تشعشعی یا تابشی کمه: یعنی بازترکیب تشعشعی (خودبخودی یا تحریک شده) زیاد هست که اون هم با چگالی حامل های بار تزریق شده (جریان تزریق شده به لیزر) و Nph (تعداد فوتون ها) رابطه داره؛ هم چنین به طور مستقیم به ضرایب B و Rst ربط داره...

امیدوارم که مفید واقع شود.

[jaafary1]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام به دوستان
ببخشید بابت تاخیر...
در این قسمت می خوام در مورد روش های مجتمع سازی ادوات فوتونیکی صحبت کنم.

انتقال الکترونیکی سرعت بالا، محدود به مسافت های کوتاه است، به طوریکه هر چه سرعت انتقال بالاتر رود، خصوصا برای نرخ انتقال هایی بیشتر از ، مسافت کوتاه تر می شود. تحت چنین شرایطی لازم است که سیگنال ها به صورت نوری منتقل شوند. بنابراین اگر ادوات فوتونیکی مجتمع شوند و چیپ سیلیکون فوتونیکی توسعه یابد می تواند تغییراتی وسیع در صنایع مخابراتی، با کاهش هزینه و توان مصرفی و افزایش کارآیی ایجاد کند. روش های مختلفی برای مجتمع سازی وجود دارد که در ادامه به آنها می پردازیم.
روش های مجتمع سازی:
1) مجتمع سازی یکپارچه: که در آن تمام ادوات بر روی یک نیمه هادی پایه ساخته می شوند. به عنوان مثال روش مجتمع سازی یکپارچه در سیلیکون فوتونیک زمانی قابل اجراست که تمام ادوات از جمله منابع نور با سیلیکون ساخته شوند. مزیت این روش این هست که بخاطر اینکه تمام ادوات به صورت پیوسته و با روش های تکنولوژی مرسوم (لیتوگرافی و Etching) ایجاد می شوند؛ خطا و تلفات ناشی از اتصال ادوات گوناگون بسیار کم هست. اما عیب آن این است که در انتخاب مواد آزادی نداریم و این مسئله ممکن است باعث کاهش کارآیی بشه. به عنوان مثال لیزرهای سیلیکونی بازده خیلی کمی دارند. شکل زیر یک مثال از مجتمع سازی یکپارچه را نشان می دهد.

2) مجتمع سازی هیبرید: که در آن ادوات ساخته شده با مواد مختلف و تکنولوژی های متفاوت، برای ایجاد یک مدار مجتمع بر روی یک پلات فرم سر هم بندی می شوند. به عنوان مثال در این روش لیزرها و مدولاتورها با استفاده از نیمه هادی InP ساخته شده اند و بعدا بر روی پلات فرم سیلیکون بر روی عایق (SOI) قرار گرفته اند. این روش مجتمع سازی به خاطر اینکه آزادی بیشتری در انتخاب مواد در اختیار ما قرار می دهد؛ بازده بعضی از ادوات را افزایش می دهد. اما به دلیل اینکه ادوات به طور جدا ساخته و در نهایت کنار هم قرار می گیرند؛ در صورتیکه ادوات با دقت به یکدیگر متصل نشوند تلفات زیاد خواهد بود. شکل زیر مثالی از این نمونه است:

در بحث مجتمع سازی یکپارچه (مدارات سیلیکون فوتونیکی) یکی از مسائلی که مطرح میشه نحوه کوپلینگ فیبر نوری به موجبر مجتمع هست. تفاوت در اندازه و شکل مد در فیبر نوری و موجبر سیلیکونی و هم چنین تفاوت بزرگ در ضرایب شکست فیبر (n=1.5) و موجبر سیلیکونی (n=3.45)، باعث افزایش تلفات کوپلینگ خواهد شد. تفاوت در مدهای فیبر نوری و موجبر سیلیکونی به دلایل زیر می باشد:
• اندازه قطر فیبر نوری تک مدی در حدود 8 میکرو متر است در حالیکه اندازه موجبر سیلیکونی بسیار کوچکتر و در ابعاد نانومتر می باشد.
• مد در فیبر نوری متقارن است، در حالیکه در موجبر سیلیکونی نامتقارن است.

یکی از راه های غلبه بر این تفاوت ها، استفاده از موجبرهای باریک شده (Tapered waveguides) میباشد که به عنوان مبدل اندازه مد عمل میکنند و اندازه بزرگ مد فیبر نوری را متناسب با موجبر سیلیکونی کوچک میکنند. در شکل زیر ، روش های (a) و (b) مثال هایی از این دسته هستند. در قسمت (c)، روش کوپلینگ بر اساس گریتینگ نمایش داده شده است. این روش برای تست و بسته بندی در مقیاس چیپ بسیار مناسب است و باعث کاهش قابل توجه در هزینه های مجتمع سازی می شود. در ساده ترین حالت کوپلر گریتینگ، از یک ساختار پریودیک یک بعدی در لایه موجبر سیلیکونی تشکیل شده است. نور در برخورد با این ساختار پریودیک میتواند در جهت خاصی شکسته شود و از موجبر به فیبر یا بالعکس وارد شود.

همانطور که در مباحث پیشین اشاره شد، منابع نور سیلیکونی بازده پایینی دارند، بنابراین ممکن است برای بسیاری از کاربردها لازم باشد از منابع نور گروه III-V که بازده بیشتری دارند، استفاده نمود. در کوپلینگ منابع نور خارجی به موجبر سیلیکونی نیز برای کاهش تلفات باید تدابیری اندیشیده شود. شکل زیر، نمونه ای از کوپلینگ لیزر خارجی و موجبر سیلیکونی نشان داده شده است.
موجبر استفاده شده، موجبری باریک شونده است که با تبدیل اندازه مد لیزر به اندازه کوچکتر و متناسب با اندازه موجبر سیلیکونی، تلفات کوپلینگ را کاهش می دهد. از طرفی در انتهای موجبر سیلیکونی، یک لایه ضد بازتاب (Anti-reflecting) قرار گرفته است که از بازتاب نور لیزر و تلفات از این طریق جلوگیری می کند.

امیدوارم مطالب بیان شده در این قسمت توجه شما رو جلب کرده باشه :biggrin:

[guitartalayi]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

یعنی خوراک بچه های میدانیه.مخصوصا علم و صنعت.ولی خوب بود.ممنونم.

[AliRezaDAVE]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

عالی بود. ادامه اش نمیدید؟؟؟؟؟؟؟

[jaafary1]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

عالی بود. ادامه اش نمیدید؟؟؟؟؟؟؟

سلام، ببخشید خیلی وقته ادامه ندادم، ولی ایشالله سعی میکنم در ارسرع وقت بحث رو تکمیل کنم.

[z e y n a b]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام

ممنون مطالب مفیدی بود

در ادامه ی منبع هایی که معرفی کردید بنظرم کتاب پالاب هم برای آشنایی اولیه با این موضوع کتاب خوبی هست

Semiconductor Optoelectronic devices 2nd ed

by Pallab Bhattacharya

[sepahvand]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام
بسیار مطالب مفیدی بود.
اگر کسی از دوستان در این حوزه اطلاعات داره لطفا برای انجام یک پروژه با من تماس بگیره از نظر مالی هم اوکی هست و مشکلی نیست.
با تشکر

[شاهرخ مستقیمی]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام
بسیار مطالب مفیدی بود.
اگر کسی از دوستان در این حوزه اطلاعات داره لطفا برای انجام یک پروژه با من تماس بگیره از نظر مالی هم اوکی هست و مشکلی نیست.
با تشکر

یه توضیح میشه بفرمایید در مورد همین پروژه که فرمودین؟

[irajrez]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام یه سوال دارم منظور این جمله رو میتونین بگین که مدهای انتشار چی هستند؟
"برای تحلیل بهتر از 5 مد انتشاری در هر پورت استفاده شده است.اکنون به بررسی نتایج حاصل از تحلیل نرم افزاری مدل فوق(رزوناتور حلقوی) پرداخته شده است. ابتدا خروجیهای حاصل از تحریک مد اول مشاهده میشود "
میخوام بدونم این 5 مد انتشار چی هستن؟

[آقاپور]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام دوست عزیز متنی که گذاشتید مشخص نیس راجب چه چیزی بحث شده که منظور مشخصی از مد انتشاری بده ،سوالتون رو کاملتر مطرح کنید تا دوستان و اساتید عزیز بهتر بتونن راهنماییتون کنن.

[irajrez]

پاسخ : آشنایی با سیلیکون فوتونیک و مدارات مجتمع نوری

سلام دوست عزیز متنی که گذاشتید مشخص نیس راجب چه چیزی بحث شده که منظور مشخصی از مد انتشاری بده ،سوالتون رو کاملتر مطرح کنید تا دوستان و اساتید عزیز بهتر بتونن راهنماییتون کنن.

ممنون از شما.یه جایی خوندم نوشته بود خروجی یک مدل رو قراره تو 5 مد انتشار بررسی کنه . من میدونم مدهای انتشار TE , TM , TEM هستند منظور از اون 5 مد انتشار چیه ؟