Fotonisk integrert krets (PIC) materialsystem

Fotonisk integrert krets (PIC) materialsystem

Silisiumfotonikk er en disiplin som bruker plane strukturer basert på silisiummaterialer for å styre lys for å oppnå en rekke funksjoner. Vi fokuserer her på anvendelsen av silisiumfotonikk i å lage sendere og mottakere for fiberoptisk kommunikasjon. Etter hvert som behovet for å legge til mer overføring med 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 er bygget med separate LiNbO3/planære lysbølgekrets (PLC)-modulatorer og InP/PLC-mottakere.

Figur 1: Viser vanlige brukte fotoniske integrerte krets- (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. Isilisiumfotonikk, lyssignalet beveger seg 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 wafere, som i dag vanligvis er 300 mm i diameter. Waferoverflaten oksideres for å danne et silikalag. En av waferne bombarderes med hydrogenatomer til en viss dybde. De to waferne smeltes deretter sammen i vakuum, og oksidlagene deres binder seg til hverandre. Enheten brytes langs hydrogenionimplantasjonslinjen. Silisiumlaget ved sprekken poleres deretter, og etterlater til slutt et tynt lag med krystallinsk Si oppå den intakte silisium-"håndtaks"-waferen oppå silikalaget. Bølgeledere dannes fra dette tynne krystallinske laget. Selv om disse silisiumbaserte isolator- (SOI) wafere muliggjør lavtap-silisiumfotoniske bølgeledere, er de faktisk mer vanlig i laveffekts CMOS-kretser på grunn av den lave lekkasjestrømmen de gir.

Det finnes mange mulige former for silisiumbaserte optiske bølgeledere, som vist i figur 2. De spenner fra mikroskala germaniumdopede silikabølgeledere til nanoskala silisiumtrådbølgeledere. 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, germaniumfotodetektorer og germaniumoptiske forsterkere.

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