מערכת חומרים משולבת פוטונית (PIC).

מערכת חומרים משולבת פוטונית (PIC).

פוטוניקת סיליקון היא דיסציפלינה המשתמשת במבנים מישוריים המבוססים על חומרי סיליקון כדי לכוון אור להשגת מגוון פונקציות. אנו מתמקדים כאן ביישום של פוטוניקת סיליקון ביצירת משדרים ומקלטים לתקשורת סיבים אופטיים. ככל שהצורך להוסיף יותר שידור ברוחב פס נתון, טביעת רגל נתונה ועלות נתונה גדל, פוטוניקת הסיליקון הופכת יותר כלכלית. לגבי החלק האופטי,טכנולוגיית אינטגרציה פוטוניתחייבים להשתמש, ורוב מקלטי המשדר הקוהרנטיים כיום בנויים באמצעות מאפננים נפרדים של LiNbO3/מעגל גל אור מישורי (PLC) ומקלטי InP/PLC.

איור 1: מציג מערכות חומר מעגלים משולבים פוטוניים (PIC) בשימוש נפוץ.

איור 1 מציג את מערכות החומר PIC הפופולריות ביותר. משמאל לימין נמצאים סיליקון PIC על בסיס סיליקון (ידוע גם כ-PLC), מבודד PIC על בסיס סיליקון (פוטוניקת סיליקון), ליתיום ניובאט (LiNbO3) ו-III-V קבוצת PIC, כגון InP ו-GaAs. מאמר זה מתמקד בפוטוניקה מבוססת סיליקון. בפוטוניקת סיליקון, אות האור עובר בעיקר בסיליקון, שיש לו פער פס עקיף של 1.12 וולט אלקטרוני (עם אורך גל של 1.1 מיקרון). סיליקון גדל בצורה של גבישים טהורים בתנורים ולאחר מכן נחתך לפרוסות, שהיום בדרך כלל קוטר 300 מ"מ. משטח הוופל מחומצן ליצירת שכבת סיליקה. אחד הפרוסים מופגז באטומי מימן עד לעומק מסוים. לאחר מכן, שני הפרוסים מתמזגים בוואקום ושכבות התחמוצת שלהם נקשרות זו לזו. המכלול נשבר לאורך קו השתלת יוני המימן. לאחר מכן מלוטשים את שכבת הסיליקון בסדק, ובסופו של דבר משאירה שכבה דקה של Si גבישי על גבי פרוסת "ידית" הסיליקון השלמה על גבי שכבת הסיליקה. מוליכי גל נוצרים משכבה גבישית דקה זו. אמנם פרוסות מבודדות מבוססות סיליקון (SOI) אלו מאפשרות מוליכי גל פוטוניים של סיליקון בהפסד נמוך, למעשה הם משמשים בדרך כלל יותר במעגלי CMOS בעלי הספק נמוך בגלל זרם הדליפה הנמוך שהם מספקים.

ישנן צורות אפשריות רבות של מוליכי גל אופטיים מבוססי סיליקון, כפי שמוצג באיור 2. הם נעים בין מוליכי גל סיליקה מסוממים בגרמניום בקנה מידה מיקרו למובילי גל סיליקון בקנה מידה ננומטרי. על ידי מיזוג גרמניום, אפשר להכיןגלאי צילוםוקליטה חשמליתמאפננים, ואולי אפילו מגברים אופטיים. על ידי סימום סיליקון, anמאפנן אופטיניתן לעשות. החלק התחתון משמאל לימין הם: מוליך גל תיל סיליקון, מוליך גל סיליקון ניטריד, מוליך גל סיליקון אוקסיניטריד, מוליך גל רכס סיליקון עבה, מוליך גל סיליקון ניטריד דק ומוליך גל סיליקון מסומם. בחלק העליון, משמאל לימין, מאפננים דלדול, גלאי צילום גרמניום וגרמניוםמגברים אופטיים.

איור 2: חתך רוחב של סדרת מוליכי גל אופטיים מבוססי סיליקון, המראה הפסדי התפשטות ומדדי שבירה אופייניים.