Σύστημα υλικών φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος (PIC)

Σύστημα υλικών φωτονικού ολοκληρωμένου κυκλώματος (PIC)

Η φωτονική πυριτίου είναι ένας κλάδος που χρησιμοποιεί επίπεδες δομές βασισμένες σε υλικά πυριτίου για να κατευθύνει το φως για να επιτύχει μια ποικιλία λειτουργιών. Εστιάζουμε εδώ στην εφαρμογή της φωτονικής πυριτίου στη δημιουργία πομπών και δεκτών για επικοινωνίες οπτικών ινών. Καθώς αυξάνεται η ανάγκη για περισσότερη μετάδοση σε ένα δεδομένο εύρος ζώνης, ένα δεδομένο αποτύπωμα και ένα δεδομένο κόστος, η φωτονική πυριτίου καθίσταται πιο οικονομικά συμφέρουσα. Για το οπτικό μέρος,τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσηςπρέπει να χρησιμοποιηθεί και οι περισσότεροι συνεκτικοί πομποδέκτες σήμερα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ξεχωριστούς διαμορφωτές LiNbO3/επίπεδου κυκλώματος φωτεινού κύματος (PLC) και δέκτες InP/PLC.

Σχήμα 1: Δείχνει τα συνήθως χρησιμοποιούμενα συστήματα υλικών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC).

Το Σχήμα 1 δείχνει τα πιο δημοφιλή συστήματα υλικών PIC. Από αριστερά προς τα δεξιά είναι το PIC πυριτίου με βάση το πυρίτιο (επίσης γνωστό ως PLC), το μονωτικό PIC με βάση το πυρίτιο (φωτονική πυριτίου), το νιοβικό λίθιο (LiNbO3) και το PIC ομάδας III-V, όπως το InP και το GaAs. Αυτή η εργασία εστιάζει στη φωτονική με βάση το πυρίτιο.φωτονική πυριτίου, το φωτεινό σήμα ταξιδεύει κυρίως σε πυρίτιο, το οποίο έχει έμμεσο ενεργειακό χάσμα 1,12 ηλεκτρονιοβόλτ (με μήκος κύματος 1,1 μικρά). Το πυρίτιο καλλιεργείται με τη μορφή καθαρών κρυστάλλων σε φούρνους και στη συνέχεια κόβεται σε πλακίδια, τα οποία σήμερα έχουν συνήθως διάμετρο 300 mm. Η επιφάνεια της πλακέτας οξειδώνεται για να σχηματίσει ένα στρώμα πυριτίου. Μία από τις πλακέτες βομβαρδίζεται με άτομα υδρογόνου σε ένα ορισμένο βάθος. Στη συνέχεια, οι δύο πλακέτες συντήκονται σε κενό και τα στρώματα οξειδίου τους συνδέονται μεταξύ τους. Το συγκρότημα σπάει κατά μήκος της γραμμής εμφύτευσης ιόντων υδρογόνου. Το στρώμα πυριτίου στη ρωγμή στη συνέχεια γυαλίζεται, αφήνοντας τελικά ένα λεπτό στρώμα κρυσταλλικού Si πάνω από το άθικτο πλακίδιο "λαβής" πυριτίου πάνω από το στρώμα πυριτίου. Οι κυματοδηγοί σχηματίζονται από αυτό το λεπτό κρυσταλλικό στρώμα. Ενώ αυτές οι πλακέτες μονωτικού με βάση το πυρίτιο (SOI) καθιστούν δυνατούς τους κυματοδηγούς φωτονικής πυριτίου χαμηλής απώλειας, χρησιμοποιούνται στην πραγματικότητα πιο συχνά σε κυκλώματα CMOS χαμηλής ισχύος λόγω του χαμηλού ρεύματος διαρροής που παρέχουν.

Υπάρχουν πολλές πιθανές μορφές οπτικών κυματοδηγών με βάση το πυρίτιο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Κυμαίνονται από κυματοδηγούς πυριτίου μικροκλίμακας με πρόσμιξη γερμανίου έως κυματοδηγούς πυριτίου νανοκλίμακας. Με την ανάμειξη γερμανίου, είναι δυνατή η κατασκευήφωτοανιχνευτέςκαι ηλεκτρική απορρόφησηδιαμορφωτές, και πιθανώς ακόμη και οπτικούς ενισχυτές. Με την προσθήκη πυριτίου, έναοπτικός διαμορφωτήςμπορούν να κατασκευαστούν. Στο κάτω μέρος, από αριστερά προς τα δεξιά, βρίσκονται: κυματοδηγός σύρματος πυριτίου, κυματοδηγός νιτριδίου πυριτίου, κυματοδηγός οξυνιτριδίου πυριτίου, κυματοδηγός με παχιά κορυφογραμμή πυριτίου, κυματοδηγός λεπτού νιτριδίου πυριτίου και κυματοδηγός με πρόσμιξη πυριτίου. Στο πάνω μέρος, από αριστερά προς τα δεξιά, βρίσκονται διαμορφωτές εξάντλησης, φωτοανιχνευτές γερμανίου και γερμάνιο.οπτικοί ενισχυτές.

Σχήμα 2: Διατομή μιας σειράς οπτικών κυματοδηγών με βάση το πυρίτιο, που δείχνει τυπικές απώλειες διάδοσης και δείκτες διάθλασης.