Система материалов для фотонных интегральных схем (PIC)
Кремниевая фотоника — это дисциплина, использующая планарные структуры на основе кремниевых материалов для направления света с целью выполнения различных функций. В данном случае мы сосредоточимся на применении кремниевой фотоники для создания передатчиков и приемников для волоконно-оптической связи. По мере роста потребности в увеличении пропускной способности при заданной полосе пропускания, заданных габаритах и заданной стоимости, кремниевая фотоника становится все более экономически целесообразной. Что касается оптической части,фотонная интеграционная технологиянеобходимо использовать, и большинство современных когерентных приемопередатчиков строятся с использованием отдельных модуляторов на основе LiNbO3/планарной световолновой схемы (PLC) и приемников на основе InP/PLC.
Рисунок 1: Показаны широко используемые материальные системы для фотонных интегральных схем (ФИС).
На рисунке 1 показаны наиболее популярные системы материалов для фотонных интегральных схем (ФИС). Слева направо представлены кремниевые ФИС на основе диоксида кремния (также известные как ФЛК), кремниевые ФИС на основе диэлектрика (кремниевая фотоника), ниобат лития (LiNbO3) и ФИС на основе соединений III-V групп, таких как InP и GaAs. В данной статье основное внимание уделяется кремниевой фотонике.кремниевая фотоникаСветовой сигнал распространяется преимущественно в кремнии, который имеет непрямую запрещенную зону шириной 1,12 электронвольт (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 с образованием слоя диоксида 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 вдоль линии имплантации ионов водорода. Затем кремниевый слой в месте трещины полируется, в конечном итоге оставляя тонкий слой кристаллического кремния поверх неповрежденной кремниевой «рукоятки», расположенной над слоем диоксида кремния. Из этого тонкого кристаллического слоя формируются волноводы. Хотя эти кремниевые диэлектрические пластины (SOI) позволяют создавать волноводы для кремниевой фотоники 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 микромасштабных волноводов из легированного германием кремния до наномасштабных волноводов из кремниевой проволоки. Путем смешивания с германием можно создаватьфотодетекторыи электрическое поглощениемодуляторыи, возможно, даже оптические усилители. Путем легирования кремния можно получитьоптический модуляторМожно изготовить. Внизу слева направо расположены: волновод из кремниевой проволоки, волновод из нитрида кремния, волновод из оксинитрида кремния, толстый волновод из кремниевого гребня, тонкий волновод из нитрида кремния и легированный кремниевый волновод. Вверху слева направо расположены модуляторы истощения, германиевые фотодетекторы и германий.оптические усилители.
Рисунок 2: Поперечное сечение серии оптических волноводов на основе кремния, показывающее типичные потери при распространении и показатели преломления.
Дата публикации: 15 июля 2024 г.