Система материалов фотонных интегральных схем (ФИС)
Кремниевая фотоника — это дисциплина, использующая планарные структуры на основе кремниевых материалов для направления света с целью достижения различных функций. Здесь мы сосредоточимся на применении кремниевой фотоники для создания передатчиков и приёмников для волоконно-оптической связи. По мере роста потребности в увеличении пропускной способности при заданной полосе пропускания, заданных размерах и стоимости кремниевая фотоника становится всё более экономически выгодной. Что касается оптической части,технология фотонной интеграциинеобходимо использовать, и большинство современных когерентных приемопередатчиков построены с использованием отдельных модуляторов LiNbO3/планарных световых цепей (PLC) и приемников InP/PLC.
Рисунок 1: Показаны широко используемые системы материалов для фотонных интегральных схем (ФИС).
На рисунке 1 показаны наиболее популярные системы материалов для фотонных интегральных схем (ФИС). Слева направо: ФИС на основе кремния (также известные как ПЛС), ФИС на основе диэлектриков (кремниевая фотоника), ФИС на основе ниобата лития (LiNbO3) и ФИС на основе металлов группы III-V, таких как InP и GaAs. В данной статье основное внимание уделено фотонике на основе кремния.кремниевая фотоника, световой сигнал в основном распространяется в кремнии, который имеет непрямую запрещенную зону 1,12 электрон-вольт (при длине волны 1,1 мкм). Кремний выращивается в виде чистых кристаллов в печах, а затем разрезается на пластины, которые сегодня обычно имеют диаметр 300 мм. Поверхность пластины окисляется для формирования слоя кремния. Одна из пластин бомбардируется атомами водорода на определенную глубину. Затем две пластины сплавляются в вакууме, и их оксидные слои соединяются друг с другом. Сборка разрушается по линии имплантации ионов водорода. Затем слой кремния в трещине полируется, в результате чего на неповрежденной кремниевой пластине «ручки» поверх слоя кремния остается тонкий слой кристаллического 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 кремниевых оптических волноводов, как показано на рисунке 2. Они варьируются от микромасштабных кварцевых волноводов, легированных германием, до наномасштабных волноводов из кремниевых проводов. Добавляя германий, можно получитьфотодетекторыи электрическое поглощениемодуляторыи, возможно, даже оптические усилители. Легирование кремния позволяетоптический модуляторМожно изготовить. Внизу слева направо: кремниевый проволочный волновод, волновод из нитрида кремния, волновод из оксинитрида кремния, толстый кремниевый гребенчатый волновод, тонкий волновод из нитрида кремния и легированный кремниевый волновод. Вверху слева направо: обеднённые 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.