Fotonisk integrert krets (PIC) materialsystem

Fotonisk integrert krets (PIC) materialsystem

Silisiumfotonikk er en disiplin som bruker plane strukturer basert på silisiummaterialer for å rette lys for å oppnå en rekke funksjoner. Vi fokuserer her på bruken av silisiumfotonikk for å lage sendere og mottakere for fiberoptisk kommunikasjon. Ettersom behovet for å legge til mer overføring ved en gitt båndbredde, et gitt fotavtrykk og en gitt kostnad øker, blir silisiumfotonikk mer økonomisk forsvarlig. For den optiske delen,fotonisk integrasjonsteknologimå brukes, og de fleste koherente transceivere i dag bygges ved hjelp av separate LiNbO3/ planar lysbølgekrets (PLC) modulatorer og InP/PLC-mottakere.

Figur 1: Viser ofte brukte fotoniske integrerte kretser (PIC) materialsystemer.

Figur 1 viser de mest populære PIC-materialsystemene. Fra venstre til høyre er silisiumbasert silika PIC (også kjent som PLC), silisiumbasert isolator PIC (silisiumfotonikk), litiumniobat (LiNbO3) og III-V gruppe PIC, som InP og GaAs. Denne artikkelen fokuserer på silisiumbasert fotonikk. Isilisium fotonikk, går lyssignalet hovedsakelig i silisium, som har et indirekte båndgap på 1,12 elektronvolt (med en bølgelengde på 1,1 mikron). Silisium dyrkes i form av rene krystaller i ovner og kuttes deretter til oblater, som i dag typisk er 300 mm i diameter. Waferoverflaten oksideres for å danne et silikalag. En av skivene er bombardert med hydrogenatomer til en viss dybde. De to skivene blir deretter smeltet sammen i et vakuum og deres oksidlag binder seg til hverandre. Sammenstillingen bryter langs hydrogenionimplantasjonslinjen. Silisiumlaget ved sprekken blir deretter polert, og etterlater til slutt et tynt lag med krystallinsk Si på toppen av den intakte silisium "håndtak"-platen på toppen av silikalaget. Bølgeledere dannes fra dette tynne krystallinske laget. Selv om disse silisiumbaserte isolatorskivene (SOI) muliggjør silisiumfotonikbølgeledere med lavt tap, er de faktisk mer vanlig brukt i CMOS-kretser med lav effekt på grunn av den lave lekkasjestrømmen de gir.

Det er mange mulige former for silisiumbaserte optiske bølgeledere, som vist i figur 2. De spenner fra mikroskala germanium-dopet silika bølgeledere til nanoskala Silicon Wire bølgeledere. Ved å blande germanium er det mulig å lagefotodetektorerog elektrisk absorpsjonmodulatorer, og muligens til og med optiske forsterkere. Ved å dope silisium, enoptisk modulatorkan lages. Nederst fra venstre til høyre er: silisiumtrådbølgeleder, silisiumnitridbølgeleder, silisiumoksynitridbølgeleder, tykk silisiumryggbølgeleder, tynn silisiumnitridbølgeleder og dopet silisiumbølgeleder. Øverst, fra venstre til høyre, er uttømmingsmodulatorer, germanium fotodetektorer og germaniumoptiske forsterkere.

Figur 2: Tverrsnitt av en silisiumbasert optisk bølgelederserie, som viser typiske forplantningstap og brytningsindekser.