Fotonisch geïntegreerd circuit (PIC) materiaalsysteem
Siliciumfotonica is een discipline die gebruikmaakt van vlakke structuren op basis van siliciummaterialen om licht te sturen en zo diverse functies te realiseren. We richten ons hier op de toepassing van siliciumfotonica bij het ontwikkelen van zenders en ontvangers voor glasvezelcommunicatie. Naarmate de behoefte aan meer transmissie bij een gegeven bandbreedte, een gegeven footprint en een gegeven prijs toeneemt, wordt siliciumfotonica economisch rendabeler. Voor het optische deel,fotonische integratietechnologiemoet worden gebruikt en de meeste coherente transceivers worden tegenwoordig gebouwd met afzonderlijke LiNbO3/planaire lichtgolfcircuit (PLC)-modulatoren en InP/PLC-ontvangers.
Figuur 1: toont veelgebruikte fotonische geïntegreerde circuit (PIC) materiaalsystemen.
Figuur 1 toont de meest populaire PIC-materiaalsystemen. Van links naar rechts: silicium-gebaseerde silica PIC (ook bekend als PLC), silicium-gebaseerde isolator PIC (siliciumfotonica), lithiumniobaat (LiNbO3) en III-V-groep PIC, zoals InP en GaAs. Dit artikel richt zich op silicium-gebaseerde fotonica.siliciumfotonica, het lichtsignaal reist voornamelijk in silicium, dat een indirecte band gap heeft van 1,12 elektronvolt (met een golflengte van 1,1 micron). Silicium wordt in ovens gekweekt in de vorm van zuivere kristallen en vervolgens gesneden tot wafers, die tegenwoordig doorgaans een diameter van 300 mm hebben. Het waferoppervlak wordt geoxideerd om een silicalaag 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. Het geheel breekt langs de implantatielijn van de waterstofionen. De siliciumlaag bij de scheur wordt vervolgens gepolijst, waardoor uiteindelijk een dunne laag kristallijn Si achterblijft bovenop de intacte silicium "handgreep" wafer bovenop de silicalaag. Golfgeleiders worden gevormd uit deze dunne kristallijne laag. Hoewel deze op silicium gebaseerde isolator (SOI) wafers silicium fotonica golfgeleiders met een laag verlies mogelijk maken, worden ze eigenlijk vaker gebruikt in CMOS-circuits met laag vermogen vanwege de lage lekstroom die ze leveren.
Er zijn vele mogelijke vormen van optische golfgeleiders op siliciumbasis, zoals weergegeven in Figuur 2. Ze variëren van microscopische germaniumgedoteerde silica-golfgeleiders tot nanoscopische siliciumdraadgolfgeleiders. Door germanium te mengen, is het mogelijk omfotodetectorenen elektrische absorptiemodulatoren, en mogelijk zelfs optische versterkers. Door silicium te doperen, eenoptische modulatorkan worden gemaakt. Onderaan, van links naar rechts, bevinden zich: siliciumdraadgolfgeleider, siliciumnitridegolfgeleider, siliciumoxynitridegolfgeleider, dikke siliciumridgegolfgeleider, dunne siliciumnitridegolfgeleider en gedoteerde siliciumgolfgeleider. Bovenaan, van links naar rechts, bevinden zich depletiemodulatoren, germaniumfotodetectoren en germaniumoptische versterkers.
Figuur 2: Dwarsdoorsnede van een optische golfgeleiderserie op siliciumbasis, met typische voortplantingsverliezen en brekingsindices.
Plaatsingstijd: 15-07-2024