Materialsystem für photonische integrierte Schaltungen (PIC)

Materialsystem für photonische integrierte Schaltungen (PIC)

Siliziumphotonik ist ein Forschungsgebiet, das planare Strukturen auf Siliziumbasis nutzt, um Licht für verschiedene Zwecke zu lenken. Wir konzentrieren uns hier auf die Anwendung der Siliziumphotonik zur Herstellung von Sendern und Empfängern für die Glasfaserkommunikation. Mit steigendem Bedarf an höherer Übertragungskapazität bei gegebener Bandbreite, gegebenem Platzbedarf und gegebenen Kosten wird die Siliziumphotonik zunehmend wirtschaftlich sinnvoll. Im optischen Bereich gilt Folgendes:photonische Integrationstechnologiemuss verwendet werden, und die meisten kohärenten Transceiver werden heute mit separaten LiNbO3/Planarlichtwellenschaltungsmodulatoren (PLC) und InP/PLC-Empfängern gebaut.

Abbildung 1: Zeigt gängige Materialsysteme für photonische integrierte Schaltungen (PIC).

Abbildung 1 zeigt die gängigsten PIC-Materialsysteme. Von links nach rechts sind dies Silizium-basierte Siliziumdioxid-PIC (auch bekannt als PLC), Silizium-basierte Isolator-PIC (Siliziumphotonik), Lithiumniobat (LiNbO3) und III-V-Gruppen-PIC wie InP und GaAs. Diese Arbeit konzentriert sich auf Silizium-basierte Photonik.SiliziumphotonikDas Lichtsignal breitet sich hauptsächlich in Silizium aus, 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 anschließend in Wafer geschnitten, die heute typischerweise einen Durchmesser von 300 mm haben. Die Waferoberfläche wird oxidiert, um eine Siliziumdioxidschicht zu bilden. Einer der Wafer wird bis zu einer bestimmten Tiefe mit Wasserstoffatomen beschossen. Die beiden Wafer werden dann im Vakuum verschmolzen, wodurch sich ihre Oxidschichten miteinander verbinden. Die Anordnung bricht entlang der Wasserstoffionenimplantationslinie. Die Siliziumschicht an der Bruchstelle wird anschließend poliert, sodass schließlich eine dünne Schicht aus kristallinem Silizium auf dem intakten Silizium-„Handler“-Wafer über der Siliziumdioxidschicht verbleibt. Aus dieser dünnen kristallinen Schicht werden Wellenleiter geformt. Obwohl diese Silizium-basierten Isolator-Wafer (SOI-Wafer) verlustarme Silizium-Photonik-Wellenleiter ermöglichen, werden sie aufgrund des geringen Leckstroms, den sie bieten, tatsächlich häufiger in CMOS-Schaltungen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, gibt es viele mögliche Bauformen von optischen Silizium-Wellenleitern. Diese reichen von mikrometergroßen, germaniumdotierten Siliziumdioxid-Wellenleitern bis hin zu nanometergroßen Siliziumdraht-Wellenleitern. Durch die Beimischung von Germanium lassen sich verschiedene Formen herstellen.Fotodetektorenund elektrische AbsorptionModulatorenund möglicherweise sogar optische Verstärker. Durch Dotierung von Silizium, einoptischer Modulatorkönnen hergestellt werden. Unten von links nach rechts: Siliziumdrahtwellenleiter, Siliziumnitridwellenleiter, Siliziumoxynitridwellenleiter, dicker Siliziumrippenwellenleiter, dünner Siliziumnitridwellenleiter und dotierter Siliziumwellenleiter. Oben von links nach rechts: Verarmungsmodulatoren, Germanium-Fotodetektoren und Germaniumoptische Verstärker.

Abbildung 2: Querschnitt einer optischen Wellenleiterreihe auf Siliziumbasis, der typische Ausbreitungsverluste und Brechungsindizes zeigt.