Система материалов фотонной интегральной схемы (ФИС)
Кремниевая фотоника — это дисциплина, которая использует планарные структуры на основе кремниевых материалов для направления света с целью достижения различных функций. Здесь мы сосредоточимся на применении кремниевой фотоники в создании передатчиков и приемников для волоконно-оптической связи. Поскольку потребность в добавлении большего количества передач при заданной полосе пропускания, заданном размере и заданной стоимости увеличивается, кремниевая фотоника становится более экономически выгодной. Для оптической части,технология фотонной интеграциинеобходимо использовать, и большинство современных когерентных приемопередатчиков построены с использованием отдельных модуляторов LiNbO3/планарной световой цепи (PLC) и приемников InP/PLC.
Рисунок 1: Показаны широко используемые системы материалов для фотонных интегральных схем (ФИС).
На рисунке 1 показаны самые популярные системы материалов PIC. Слева направо: PIC на основе кремния (также известный как PLC), PIC на основе кремния-изолятора (кремниевая фотоника), ниобат лития (LiNbO3) и PIC на основе III-V группы, такие как InP и GaAs. В этой статье основное внимание уделяется фотонике на основе кремния. Вкремниевая фотоника, световой сигнал в основном распространяется в кремнии, который имеет непрямую запрещенную зону 1,12 электрон-вольт (с длиной волны 1,1 микрона). Кремний выращивается в виде чистых кристаллов в печах, а затем разрезается на пластины, которые сегодня обычно имеют диаметр 300 мм. Поверхность пластины окисляется для образования слоя кремния. Одна из пластин бомбардируется атомами водорода на определенную глубину. Затем две пластины сплавляются в вакууме, и их оксидные слои связываются друг с другом. Сборка разрушается вдоль линии имплантации ионов водорода. Затем слой кремния в трещине полируется, в конечном итоге оставляя тонкий слой кристаллического Si поверх неповрежденной кремниевой «ручки» пластины поверх слоя кремния. Из этого тонкого кристаллического слоя формируются волноводы. Хотя эти пластины на основе кремниевого диэлектрика (SOI) делают возможным создание кремниевых фотонных волноводов с низкими потерями, на самом деле они чаще используются в маломощных КМОП-схемах из-за обеспечиваемого ими низкого тока утечки.
Существует множество возможных форм оптических волноводов на основе кремния, как показано на рисунке 2. Они варьируются от микромасштабных кремниевых волноводов, легированных германием, до наномасштабных кремниевых волноводов. Смешивая германий, можно сделатьфотодетекторыи электрическое поглощениемодуляторы, и возможно даже оптические усилители. Легированием кремния,оптический модуляторможно сделать. Внизу слева направо: кремниевый проволочный волновод, кремниевый нитридный волновод, кремниевый оксинитридный волновод, толстый кремниевый гребневый волновод, тонкий кремниевый нитридный волновод и легированный кремниевый волновод. Вверху слева направо: обедненные модуляторы, германиевые фотодетекторы и германиевыеоптические усилители.
Рисунок 2: Поперечное сечение серии оптических волноводов на основе кремния, демонстрирующее типичные потери распространения и показатели преломления.
Время публикации: 15 июля 2024 г.