Materialsystem für photonische integrierte Schaltkreise (PIC)
Siliziumphotonik ist eine Disziplin, die planare Strukturen auf Siliziumbasis nutzt, um Licht zu lenken und so verschiedene Funktionen zu erreichen. Wir konzentrieren uns hier auf die Anwendung der Siliziumphotonik bei der Entwicklung von Sendern und Empfängern für die Glasfaserkommunikation. Da der Bedarf an höherer Übertragungsleistung bei gleicher Bandbreite, gleicher Grundfläche und gleichen Kosten steigt, wird die Siliziumphotonik immer wirtschaftlicher. Für den optischen Teil:Photonische Integrationstechnologieverwendet werden, und die meisten kohärenten Transceiver werden heutzutage unter Verwendung separater LiNbO3/Planar Light-Wave Circuit (PLC)-Modulatoren und InP/PLC-Empfänger gebaut.
Abbildung 1: Zeigt häufig verwendete Materialsysteme für photonische integrierte Schaltkreise (PIC).
Abbildung 1 zeigt die gängigsten PIC-Materialsysteme. Von links nach rechts: Siliziumbasiertes Silica-PIC (auch bekannt als PLC), Silizium-basierter Isolator-PIC (Silizium-Photonik), Lithiumniobat (LiNbO3) und PIC der III-V-Gruppe wie InP und GaAs. Dieser Artikel konzentriert sich auf Silizium-basierte Photonik. InSiliziumphotonikDas Lichtsignal bewegt sich hauptsächlich in Silizium, das eine indirekte Bandlücke von 1,12 Elektronenvolt (bei einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometern) aufweist. Silizium wird in Form reiner Kristalle in Öfen gezüchtet und dann in Wafer geschnitten, die heute typischerweise einen Durchmesser von 300 mm haben. Die Waferoberfläche wird zu einer Siliziumschicht oxidiert. Einer der Wafer wird bis zu einer bestimmten Tiefe mit Wasserstoffatomen bombardiert. Die beiden Wafer werden dann im Vakuum verschmolzen und ihre Oxidschichten verbinden sich miteinander. Die Anordnung bricht entlang der Wasserstoffionenimplantationslinie. Die Siliziumschicht am Riss wird dann poliert, wodurch schließlich eine dünne Schicht aus kristallinem Si auf dem intakten Silizium-„Griff“-Wafer auf der Siliziumschicht zurückbleibt. Aus dieser dünnen kristallinen Schicht werden Wellenleiter gebildet. Diese SOI-Wafer (Silizium-basierter Isolator) ermöglichen zwar verlustarme Silizium-Photonik-Wellenleiter, werden aufgrund ihres geringen Leckstroms jedoch häufiger in CMOS-Schaltungen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt.
Es gibt viele mögliche Formen von optischen Wellenleitern auf Siliziumbasis, wie in Abbildung 2 dargestellt. Sie reichen von mikroskaligen germaniumdotierten Silizium-Wellenleitern bis hin zu nanoskaligen Siliziumdraht-Wellenleitern. Durch die Beimischung von Germanium ist es möglich,Fotodetektorenund elektrische AbsorptionModulatorenund möglicherweise sogar optische Verstärker. Durch Dotierung von Siliziumoptischer Modulatorhergestellt werden können. Unten von links nach rechts sind: Siliziumdrahtwellenleiter, Siliziumnitridwellenleiter, Siliziumoxynitridwellenleiter, dicker Siliziumstegwellenleiter, dünner Siliziumnitridwellenleiter und dotierter Siliziumwellenleiter. Oben von links nach rechts sind Verarmungsmodulatoren, Germanium-Fotodetektoren und Germaniumoptische Verstärker.
Abbildung 2: Querschnitt einer optischen Wellenleiterreihe auf Siliziumbasis mit typischen Ausbreitungsverlusten und Brechungsindizes.
Veröffentlichungszeit: 15. Juli 2024