光集積回路（PIC）材料システム

光集積回路（PIC）材料システム

シリコンフォトニクスは、シリコン材料をベースとした平面構造を用いて光を方向づけ、様々な機能を実現する分野です。ここでは、光ファイバー通信用の送信機と受信機の開発におけるシリコンフォトニクスの応用に焦点を当てます。一定の帯域幅、フットプリント、コストでより多くの伝送能力を必要とするニーズが高まるにつれて、シリコンフォトニクスはより経済的になります。光学部分については、光子集積技術を使用する必要があり、今日のほとんどのコヒーレント トランシーバーは、個別の LiNbO3/平面光波回路 (PLC) 変調器と InP/PLC 受信機を使用して構築されています。

図 1: 一般的に使用される光子集積回路 (PIC) 材料システムを示します。

図1は、最も一般的なPIC材料系を示しています。左から右へ、シリコンベースのシリカPIC（PLCとも呼ばれます）、シリコンベースの絶縁体PIC（シリコンフォトニクス）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、そしてInPやGaAsなどのIII-V族PICです。本稿ではシリコンベースのフォトニクスに焦点を当てます。シリコンフォトニクス、光信号は主にシリコン中を伝わります。シリコンの間接バンドギャップは 1.12 電子ボルト (波長 1.1 ミクロン) です。シリコンは炉の中で純粋な結晶の形で成長し、その後ウェハに切断されます。今日のウェハの直径は通常 300 mm です。ウェハ表面は酸化されてシリカ層が形成されます。ウェハの 1 つに水素原子が特定の深さまで照射されます。次に 2 つのウェハが真空中で融合され、それらの酸化物層が互いに結合します。アセンブリは、水素イオン注入ラインに沿って破断します。次に、亀裂のシリコン層が研磨され、最終的にシリカ層上の無傷のシリコン「ハンドル」ウェハの上に結晶 Si の薄い層が残ります。導波路はこの薄い結晶層から形成されます。これらのシリコンベース絶縁体 (SOI) ウェハにより、低損失のシリコン フォトニクス導波路が可能になりますが、実際には、リーク電流が低いため、低電力 CMOS 回路でより一般的に使用されています。

図2に示すように、シリコンベースの光導波路には様々な形態があります。マイクロスケールのゲルマニウム添加シリカ導波路からナノスケールのシリコンワイヤ導波路まで多岐にわたります。ゲルマニウムを混合することで、光検出器電気吸収変調器、そしておそらく光増幅器も。シリコンをドーピングすることで、光変調器作製できます。下段は左から右へ、シリコン細線導波路、シリコン窒化物導波路、シリコン酸窒化物導波路、厚いシリコンリッジ導波路、薄いシリコン窒化物導波路、ドープシリコン導波路です。上段は左から右へ、デプレッション変調器、ゲルマニウム光検出器、ゲルマニウム光増幅器.

図 2: シリコンベースの光導波路シリーズの断面図。一般的な伝搬損失と屈折率を示しています。