Fotoniskt integrerat kretssystem (PIC)

Fotoniskt integrerat kretssystem (PIC)

Kiselfotonik är en disciplin som använder plana strukturer baserade på kiselmaterial för att rikta ljus för att uppnå en mängd olika funktioner. Vi fokuserar här på tillämpningen av kiselfotonik för att skapa sändare och mottagare för fiberoptisk kommunikation. I takt med att behovet av att lägga till mer överföring vid en given bandbredd, ett givet fotavtryck och en given kostnad ökar, blir kiselfotonik mer ekonomiskt sund. För den optiska delen,fotonisk integrationsteknikmåste användas, och de flesta koherenta transceivrar idag är byggda med separata LiNbO3/planära ljusvågskrets (PLC)-modulatorer och InP/PLC-mottagare.

Figur 1: Visar vanligt förekommande materialsystem för fotoniska integrerade kretsar (PIC).

Figur 1 visar de mest populära PIC-materialsystemen. Från vänster till höger visas kiselbaserad kiseldioxid-PIC (även känd som PLC), kiselbaserad isolator-PIC (kiselfotonik), litiumniobat (LiNbO3) och III-V-grupp-PIC, såsom InP och GaAs. Denna artikel fokuserar på kiselbaserad fotonik. Ikiselfotonik, ljussignalen färdas huvudsakligen i kisel, som har ett indirekt bandgap på 1,12 elektronvolt (med en våglängd på 1,1 mikron). Kisel odlas i form av rena kristaller i ugnar och skärs sedan till wafers, som idag vanligtvis är 300 mm i diameter. Waferns yta oxideras för att bilda ett kiseldioxidlager. En av wafers bombarderas med väteatomer till ett visst djup. De två wafers smälts sedan samman i vakuum och deras oxidlager binds till varandra. Enheten bryts längs vätejonimplantationslinjen. Kiselskiktet vid sprickan poleras sedan, vilket så småningom lämnar ett tunt lager av kristallint Si ovanpå den intakta kisel-"handtags"-wafern ovanpå kiseldioxidlagret. Vågledare bildas från detta tunna kristallina lager. Även om dessa kiselbaserade isolatorwafers (SOI) möjliggör kiselfotoniska vågledare med låg förlust, används de faktiskt oftare i CMOS-kretsar med låg effekt på grund av den låga läckström de ger.

Det finns många möjliga former av kiselbaserade optiska vågledare, som visas i figur 2. De sträcker sig från mikroskaliga germaniumdopade kiseldioxidvågledare till nanoskaliga kiseltrådsvågledare. Genom att blanda germanium är det möjligt att tillverkafotodetektoreroch elektrisk absorptionmodulatorer, och möjligen även optiska förstärkare. Genom att dopa kisel, enoptisk modulatorkan tillverkas. Nederst från vänster till höger är: kiseltrådsvågledare, kiselnitridvågledare, kiseloxynitridvågledare, tjock kiselryggvågledare, tunn kiselnitridvågledare och dopad kiselvågledare. Överst, från vänster till höger, finns utarmningsmodulatorer, germaniumfotodetektorer och germaniumoptiska förstärkare.

Figur 2: Tvärsnitt av en kiselbaserad optisk vågledarserie, som visar typiska utbredningsförluster och brytningsindex.