Fotonisch geïntegreerd circuit (PIC) materiaalsysteem
Siliciumfotonica is een discipline die gebruikmaakt van planaire structuren op basis van siliciummaterialen om licht te geleiden en zo diverse functies te realiseren. We richten ons hier op de toepassing van siliciumfotonica bij het creëren van zenders en ontvangers voor glasvezelcommunicatie. Naarmate de behoefte aan meer transmissie bij een gegeven bandbreedte, een gegeven afmeting en een gegeven kostprijs toeneemt, wordt siliciumfotonica economisch aantrekkelijker. Voor het optische gedeelte,fotonische integratietechnologiemoet worden gebruikt, en de meeste coherente zendontvangers worden tegenwoordig gebouwd met behulp van afzonderlijke LiNbO3/planaire lichtgolfcircuit (PLC)-modulatoren en InP/PLC-ontvangers.
Figuur 1: Toont veelgebruikte materiaalsystemen voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's).
Figuur 1 toont de meest populaire PIC-materiaalsystemen. Van links naar rechts: siliciumgebaseerde silica-PIC (ook bekend als PLC), siliciumgebaseerde isolator-PIC (siliciumfotonica), lithiumniobaat (LiNbO3) en III-V-groep-PIC, zoals InP en GaAs. Dit artikel richt zich op siliciumgebaseerde fotonica.siliciumfotonicaHet lichtsignaal plant zich voornamelijk voort in silicium, dat een indirecte bandgap heeft van 1,12 elektronvolt (met een golflengte van 1,1 micron). Silicium wordt in de vorm van zuivere kristallen in ovens gekweekt en vervolgens in wafers gesneden, die tegenwoordig typisch een diameter van 300 mm hebben. Het oppervlak van de wafer wordt geoxideerd om een siliciumdioxide-laag te vormen. Een van de wafers wordt tot een bepaalde diepte gebombardeerd met waterstofatomen. De twee wafers worden vervolgens in een vacuüm samengesmolten en hun oxidelagen hechten zich aan elkaar. De constructie breekt langs de lijn van de waterstofionenimplantatie. De siliciumlaag bij de breuk wordt vervolgens gepolijst, waardoor uiteindelijk een dunne laag kristallijn silicium overblijft bovenop de intacte siliciumwafer die als "handvat" dient, bovenop de siliciumdioxide-laag. Uit deze dunne kristallijne laag worden golfgeleiders gevormd. Hoewel deze op silicium gebaseerde isolator (SOI) wafers verliesarme siliciumfotonica-golfgeleiders mogelijk maken, worden ze in feite vaker gebruikt in energiezuinige CMOS-circuits vanwege de lage lekstroom die ze bieden.
Er bestaan veel mogelijke vormen van optische golfgeleiders op basis van silicium, zoals weergegeven in Figuur 2. Deze variëren van microgolfgeleiders van met germanium gedoteerd siliciumdioxide tot nanogolfgeleiders van siliciumdraad. Door germanium toe te voegen, is het mogelijk omfotodetectorenen elektrische absorptiemodulatorenen mogelijk zelfs optische versterkers. Door silicium te doteren, eenoptische modulatorkunnen gemaakt worden. Onderaan, van links naar rechts, bevinden zich: siliciumdraadgolfgeleider, siliciumnitridegolfgeleider, siliciumoxynitridegolfgeleider, dikke siliciumribgolfgeleider, dunne siliciumnitridegolfgeleider en gedoteerde siliciumgolfgeleider. Bovenaan, van links naar rechts, bevinden zich depletiemodulatoren, germaniumfotodetectoren en germanium.optische versterkers.
Figuur 2: Doorsnede van een reeks optische golfgeleiders op siliciumbasis, met weergave van typische voortplantingsverliezen en brekingsindices.
Geplaatst op: 15 juli 2024