Система материалов фотонной интегральной схемы (PIC)
Кремниевая фотоника — это дисциплина, которая использует плоские структуры на основе кремниевых материалов для направления света для достижения различных функций. Здесь мы сосредоточимся на применении кремниевой фотоники при создании передатчиков и приемников для оптоволоконной связи. По мере того, как увеличивается необходимость увеличения передачи при заданной полосе пропускания, заданной занимаемой площади и заданной стоимости, кремниевая фотоника становится более экономически выгодной. Что касается оптической части,технология фотонной интеграцииНеобходимо использовать, и большинство когерентных трансиверов сегодня построены с использованием отдельных модуляторов LiNbO3 / планарной световой цепи (PLC) и приемников InP / PLC.
Рисунок 1: Показаны широко используемые системы материалов фотонных интегральных схем (PIC).
На рисунке 1 показаны наиболее популярные системы материалов PIC. Слева направо: кремниевый PIC на основе кремния (также известный как PLC), изолятор на основе кремния PIC (кремниевая фотоника), ниобат лития (LiNbO3) и PIC группы III-V, такие как InP и GaAs. В данной статье основное внимание уделяется фотонике на основе кремния. Вкремниевая фотоникаСветовой сигнал в основном распространяется в кремнии, ширина запрещенной зоны которого составляет 1,12 электронвольта (при длине волны 1,1 микрона). Кремний выращивают в виде чистых кристаллов в печах, а затем разрезают на пластины, диаметр которых сегодня обычно составляет 300 мм. Поверхность пластины окисляется с образованием слоя кремнезема. Одна из пластин бомбардируется атомами водорода на определенную глубину. Затем две пластины сплавляются в вакууме, и их оксидные слои соединяются друг с другом. Сборка разрывается по линии имплантации ионов водорода. Затем слой кремния в месте трещины полируется, в результате чего поверх неповрежденной кремниевой «ручки» пластины поверх слоя кремнезема остается тонкий слой кристаллического кремния. Волноводы формируются из этого тонкого кристаллического слоя. Хотя эти пластины изолятора на основе кремния (SOI) делают возможным создание кремниевых фотонных волноводов с низкими потерями, на самом деле они чаще используются в маломощных КМОП-схемах из-за низкого тока утечки, который они обеспечивают.
Существует множество возможных форм оптических волноводов на основе кремния, как показано на рисунке 2. Они варьируются от микроразмерных волноводов из кремниевого сплава, легированного германием, до наноразмерных волноводов из кремниевой проволоки. Смешивая германий, можно получитьфотодетекторыи электрическое поглощениемодуляторыи, возможно, даже оптические усилители. Легируя кремний,оптический модуляторможно сделать. Внизу слева направо: волновод из кремниевой проволоки, волновод из нитрида кремния, волновод из оксинитрида кремния, волновод из толстого кремниевого гребня, тонкий волновод из нитрида кремния и волновод из легированного кремния. Вверху слева направо — модуляторы обеднения, германиевые фотодетекторы и германиевыйоптические усилители.
Рисунок 2: Поперечное сечение серии оптических волноводов на основе кремния, показывающее типичные потери распространения и показатели преломления.
Время публикации: 15 июля 2024 г.