Materialni sistem fotonskega integriranega vezja (PIC).

Materialni sistem fotonskega integriranega vezja (PIC).

Silicijeva fotonika je disciplina, ki uporablja ravninske strukture na osnovi silicijevih materialov za usmerjanje svetlobe za doseganje različnih funkcij. Tu se osredotočamo na uporabo silicijeve fotonike pri ustvarjanju oddajnikov in sprejemnikov za komunikacije z optičnimi vlakni. Ko se poveča potreba po dodajanju več prenosa pri dani pasovni širini, danem odtisu in danih stroških, postane silicijeva fotonika ekonomsko bolj sprejemljiva. Za optični del,tehnologija fotonske integracijeje treba uporabiti, večina koherentnih oddajnikov in sprejemnikov pa je danes zgrajena z uporabo ločenih modulatorjev LiNbO3/planarnega svetlobnega valovnega vezja (PLC) in sprejemnikov InP/PLC.

Slika 1: Prikazuje pogosto uporabljene materialne sisteme fotonskih integriranih vezij (PIC).

Slika 1 prikazuje najbolj priljubljene materialne sisteme PIC. Od leve proti desni so PIC na osnovi silicija (znan tudi kot PLC), izolator na osnovi silicija (silicijeva fotonika), litijev niobat (LiNbO3) in PIC skupine III-V, kot sta InP in GaAs. Ta dokument se osredotoča na fotoniko na osnovi silicija. notersilicijeva fotonika, svetlobni signal večinoma potuje v siliciju, ki ima posredno pasovno vrzel 1,12 elektronvolta (z valovno dolžino 1,1 mikrona). Silicij gojijo v obliki čistih kristalov v pečeh in jih nato razrežejo na rezine, ki imajo danes običajno premer 300 mm. Površina rezine je oksidirana, da nastane plast kremena. Ena od rezin je obstreljena z atomi vodika do določene globine. Obe rezini sta nato spojeni v vakuumu in njuni oksidni plasti se povežeta druga z drugo. Sklop se zlomi vzdolž linije implantacije vodikovih ionov. Silicijeva plast na razpoki se nato polira, pri čemer sčasoma ostane tanka plast kristalnega Si na vrhu nepoškodovane silicijeve rezine z "ročajem" na vrhu silicijeve plasti. Iz te tanke kristalne plasti so oblikovani valovodi. Čeprav ti izolatorji na osnovi silicija (SOI) omogočajo silicijeve fotonske valovode z majhnimi izgubami, se dejansko pogosteje uporabljajo v vezjih CMOS z nizko porabo energije zaradi nizkega toka uhajanja, ki ga zagotavljajo.

Obstaja veliko možnih oblik optičnih valovodov na osnovi silicija, kot je prikazano na sliki 2. Segajo od mikrorazmernih valovodov, dopiranih z germanijem, do valovodov iz silicijeve žice v nanometru. Z mešanjem germanija je mogoče izdelatifotodetektorjiin električna absorpcijamodulatorji, in morda celo optični ojačevalniki. Z dopiranjem silicija, anoptični modulatormogoče narediti. Spodaj od leve proti desni so: valovod iz silicijeve žice, valovod iz silicijevega nitrida, valovod iz silicijevega oksinitrida, valovod iz debelega silicijevega grebena, valovod iz tankega silicijevega nitrida in valovod iz dopiranega silicija. Na vrhu, od leve proti desni, so deplecijski modulatorji, germanijevi fotodetektorji in germanijoptični ojačevalniki.

Slika 2: Prečni prerez serije optičnih valovodov na osnovi silicija, ki prikazuje tipične izgube pri širjenju in lomne količnike.