System materiałowy fotonicznego układu scalonego (PIC).

System materiałowy fotonicznego układu scalonego (PIC).

Fotonika krzemu to dyscyplina wykorzystująca płaskie struktury oparte na materiałach krzemowych do kierowania światła w celu osiągnięcia różnorodnych funkcji. Skupiamy się tutaj na zastosowaniu fotoniki krzemowej w tworzeniu nadajników i odbiorników dla komunikacji światłowodowej. W miarę wzrostu konieczności dodania większej transmisji przy danej przepustowości, określonej powierzchni i danym koszcie fotonika krzemowa staje się bardziej ekonomiczna. W przypadku części optycznejtechnologia integracji fotonicznejmuszą być stosowane, a większość współczesnych transiwerów koherentnych jest budowana przy użyciu oddzielnych modulatorów LiNbO3/planarnego obwodu fali świetlnej (PLC) i odbiorników InP/PLC.

Rysunek 1: Pokazuje powszechnie stosowane systemy materiałów fotonicznych układów scalonych (PIC).

Rysunek 1 przedstawia najpopularniejsze systemy materiałów PIC. Od lewej do prawej znajdują się krzemionkowe PIC (znane również jako PLC), izolator krzemowy PIC (fotonika krzemowa), niobian litu (LiNbO3) i PIC z grupy III-V, takie jak InP i GaA. W artykule skupiono się na fotonice krzemowej. Wfotonika krzemowasygnał świetlny przemieszcza się głównie w krzemie, którego pośrednie pasmo wzbronione wynosi 1,12 elektronowoltów (przy długości fali 1,1 mikrona). Krzem hoduje się w postaci czystych kryształów w piecach, a następnie kroi na wafle, które obecnie mają zazwyczaj średnicę 300 mm. Powierzchnia płytki jest utleniana, tworząc warstwę krzemionki. Jeden z płytek jest bombardowany atomami wodoru do określonej głębokości. Obydwa płytki są następnie stapiane w próżni, a ich warstwy tlenkowe łączą się ze sobą. Zespół pęka wzdłuż linii implantacji jonów wodorowych. Warstwa krzemu w miejscu pęknięcia jest następnie polerowana, ostatecznie pozostawiając cienką warstwę krystalicznego Si na wierzchu nienaruszonej krzemowej płytki z „uchwytem” na wierzchu warstwy krzemionki. Z tej cienkiej warstwy krystalicznej utworzone są falowody. Chociaż te płytki izolatorów na bazie krzemu (SOI) umożliwiają powstanie niskostratnych krzemowych falowodów fotonicznych, w rzeczywistości są one częściej stosowane w obwodach CMOS o małej mocy ze względu na zapewniany przez nie niski prąd upływowy.

Istnieje wiele możliwych form falowodów optycznych na bazie krzemu, jak pokazano na rysunku 2. Obejmują one począwszy od falowodów krzemionkowych domieszkowanych germanem w mikroskali po falowody z drutu krzemowego w skali nano. Można to zrobić mieszając germanfotodetektoryi absorpcję elektrycznąmodulatory, a być może nawet wzmacniacze optyczne. Domieszkując krzem, anmodulator optycznymożna zrobić. Na dole, od lewej do prawej, znajdują się: falowód z drutu krzemowego, falowód z azotku krzemu, falowód z tlenoazotku krzemu, falowód z grubym grzbietem krzemu, cienki falowód z azotku krzemu i falowód domieszkowany krzemem. Na górze, od lewej do prawej, znajdują się modulatory zubożenia, fotodetektory germanowe i germanowewzmacniacze optyczne.

Rysunek 2: Przekrój poprzeczny serii falowodów optycznych na bazie krzemu, pokazujący typowe straty propagacyjne i współczynniki załamania światła.