Materialsystem für photonische integrierte Schaltkreise (PIC).
Siliziumphotonik ist eine Disziplin, die planare Strukturen auf Basis von Siliziummaterialien verwendet, um Licht zu lenken und so eine Vielzahl von Funktionen zu erreichen. Wir konzentrieren uns hier auf die Anwendung der Siliziumphotonik bei der Entwicklung von Sendern und Empfängern für die Glasfaserkommunikation. Da die Notwendigkeit, bei gegebener Bandbreite, gegebenem Platzbedarf und gegebenen Kosten mehr Übertragungen hinzuzufügen, zunimmt, wird die Siliziumphotonik wirtschaftlicher. Für den optischen TeilPhotonische Integrationstechnologieverwendet werden, und die meisten kohärenten Transceiver werden heutzutage mit separaten LiNbO3/PLC-Modulatoren (Planar Light Wave Circuit) und InP/PLC-Empfängern gebaut.
Abbildung 1: Zeigt häufig verwendete Materialsysteme für photonische integrierte Schaltkreise (PIC).
Abbildung 1 zeigt die gängigsten PIC-Materialsysteme. Von links nach rechts sind Silica-PIC auf Siliziumbasis (auch als PLC bekannt), Isolator-PIC auf Siliziumbasis (Siliziumphotonik), Lithiumniobat (LiNbO3) und PIC der III-V-Gruppe wie InP und GaAs. Dieser Artikel konzentriert sich auf Silizium-basierte Photonik. InSiliziumphotonikDas 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 dann in Wafer geschnitten, die heute typischerweise einen Durchmesser von 300 mm haben. Die Waferoberfläche wird oxidiert, um eine Siliziumoxidschicht zu bilden. Einer der Wafer wird bis zu einer bestimmten Tiefe mit Wasserstoffatomen beschossen. Anschließend werden die beiden Wafer im Vakuum verschmolzen und ihre Oxidschichten verbinden sich miteinander. Die Anordnung bricht entlang der Wasserstoffionen-Implantationslinie. Anschließend wird die Siliziumschicht am Riss poliert, sodass schließlich eine dünne Schicht aus kristallinem Si auf dem intakten Silizium-„Griff“-Wafer auf der Siliziumoxidschicht zurückbleibt. Aus dieser dünnen kristallinen Schicht werden Wellenleiter gebildet. Während diese Silizium-basierten Isolatorwafer (SOI) verlustarme Silizium-Photonik-Wellenleiter ermöglichen, werden sie aufgrund des geringen Leckstroms, den sie bieten, tatsächlich häufiger in CMOS-Schaltkreisen mit geringem Stromverbrauch verwendet.
Es gibt viele mögliche Formen von optischen Wellenleitern auf Siliziumbasis, wie in Abbildung 2 dargestellt. Sie reichen von mit Germanium dotierten Quarzwellenleitern im Mikromaßstab bis hin zu Siliziumdraht-Wellenleitern im Nanomaßstab. Durch die Beimischung von Germanium ist es möglichFotodetektorenund elektrische AbsorptionModulatorenund möglicherweise sogar optische Verstärker. Durch die Dotierung von Silizium wird einoptischer Modulatorgemacht werden kann. Unten sind von links nach rechts: Siliziumdraht-Wellenleiter, Siliziumnitrid-Wellenleiter, Siliziumoxynitrid-Wellenleiter, dicker Silizium-Rippenwellenleiter, dünner Siliziumnitrid-Wellenleiter und dotierter Silizium-Wellenleiter. Oben, von links nach rechts, befinden sich Depletion-Modulatoren, Germanium-Fotodetektoren und Germaniumoptische Verstärker.
Abbildung 2: Querschnitt einer Silizium-basierten optischen Wellenleiterserie mit typischen Ausbreitungsverlusten und Brechungsindizes.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Juli 2024