Fotonisch geïntegreerd circuit (PIC) materiaalsysteem
Siliciumfotonica is een discipline die vlakke structuren op basis van siliciummaterialen gebruikt om licht te richten en zo een verscheidenheid aan functies te bereiken. We concentreren ons hier op de toepassing van siliciumfotonica bij het creëren van zenders en ontvangers voor glasvezelcommunicatie. Naarmate de noodzaak om meer transmissie toe te voegen bij een bepaalde bandbreedte, een bepaalde voetafdruk en een bepaalde kosten toeneemt, wordt siliciumfotonica economisch verantwoorder. Voor het optische gedeeltefotonische integratietechnologiemoeten worden gebruikt, en de meeste coherente zendontvangers worden tegenwoordig gebouwd met behulp van afzonderlijke LiNbO3/planaire lichtgolfcircuitmodulatoren (PLC) en InP/PLC-ontvangers.
Figuur 1: Toont veelgebruikte materiaalsystemen voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC).
Figuur 1 toont de meest populaire PIC-materiaalsystemen. Van links naar rechts zijn op silicium gebaseerde silica PIC (ook bekend als PLC), op silicium gebaseerde isolator PIC (siliciumfotonica), lithiumniobaat (LiNbO3) en III-V-groep PIC, zoals InP en GaAs. Dit artikel richt zich op op silicium gebaseerde fotonica. Insilicium fotonica, het lichtsignaal plant zich voornamelijk voort in silicium, dat een indirecte bandafstand heeft van 1,12 elektronvolt (met een golflengte van 1,1 micron). Silicium wordt in ovens gekweekt in de vorm van pure kristallen en vervolgens in wafels gesneden, die tegenwoordig doorgaans een diameter van 300 mm hebben. Het wafeloppervlak wordt geoxideerd om een silicalaag te vormen. Eén van de wafers wordt tot een bepaalde diepte gebombardeerd met waterstofatomen. De twee wafels worden vervolgens in een vacuüm versmolten en hun oxidelagen hechten zich aan elkaar. Het geheel breekt langs de waterstofionenimplantatielijn. De siliciumlaag bij de scheur wordt vervolgens gepolijst, waardoor er uiteindelijk een dunne laag kristallijn Si achterblijft bovenop de intacte silicium ‘handgreep’-wafel bovenop de silicalaag. Uit deze dunne kristallijne laag worden golfgeleiders gevormd. Hoewel deze op silicium gebaseerde isolatorwafels (SOI-wafers) siliciumfotonica-golfgeleiders met laag verlies mogelijk maken, worden ze feitelijk vaker gebruikt in CMOS-circuits met laag vermogen vanwege de lage lekstroom die ze leveren.
Er zijn veel mogelijke vormen van op silicium gebaseerde optische golfgeleiders, zoals weergegeven in figuur 2. Ze variëren van met germanium gedoteerde silica-golfgeleiders op microschaal tot siliciumdraad-golfgeleiders op nanoschaal. Door germanium te mengen is het mogelijk om dit te makenfotodetectorenen elektrische absorptiemodulatoren, en mogelijk zelfs optische versterkers. Door silicium te doteren, wordt eenoptische modulatorkan worden gemaakt. De onderkant van links naar rechts zijn: golfgeleider van siliciumdraad, golfgeleider van siliciumnitride, golfgeleider van siliciumoxynitride, dikke golfgeleider van siliciumrand, dunne golfgeleider van siliciumnitride en gedoteerde siliciumgolfgeleider. Bovenaan, van links naar rechts, bevinden zich depletiemodulatoren, germaniumfotodetectoren en germaniumoptische versterkers.
Figuur 2: Dwarsdoorsnede van een op silicium gebaseerde optische golfgeleiderreeks, met typische voortplantingsverliezen en brekingsindices.
Posttijd: 15 juli 2024