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、シリコン材料に基づく平面構造を使用して光を方向付け、さまざまな機能を実現する学問です。ここでは、光ファイバー通信用の送信機と受信機の作成におけるシリコン フォトニクスの応用に焦点を当てます。所定の帯域幅、所定の設置面積、所定のコストで伝送を追加する必要性が高まるにつれて、シリコン フォトニクスはより経済的に健全になります。光学部品に関しては、フォトニックインテグレーション技術現在のほとんどのコヒーレント トランシーバーは、別個の LiNbO3/平面光波回路 (PLC) 変調器と InP/PLC レシーバーを使用して構築されています。

図 1: 一般的に使用されるフォトニック集積回路 (PIC) 材料システムを示します。

図 1 は、最も一般的な PIC 材料システムを示しています。左から右へ、シリコンベースのシリカ PIC (別名 PLC)、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)、InP や GaAs などの III-V 族 PIC です。この論文はシリコンベースのフォトニクスに焦点を当てています。でシリコンフォトニクス、光信号は主にシリコン内を伝わり、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。シリコンは炉内で純粋な結晶の形で成長し、その後ウェーハに切断されます。今日のウェーハは通常直径 300 mm です。ウェーハ表面を酸化してシリカ層を形成します。ウェーハの 1 つには水素原子が一定の深さまで衝突されます。次に、2 枚のウェーハが真空中で融着され、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壊されます。次に亀裂のシリコン層が研磨され、最終的にはシリカ層上の無傷のシリコン「ハンドル」ウェーハの上に結晶質 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) ウェーハは、低損失のシリコンフォトニクス導波路を可能にしますが、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さまざまな形式が考えられます。その範囲は、マイクロスケールのゲルマニウムをドープした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。ゲルマニウムを配合することで、光検出器そして電気吸収変調器、そして場合によっては光アンプさえも。シリコンをドーピングすることで、光変調器作ることができる。下は左から右に、シリコン ワイヤ導波路、窒化シリコン導波路、酸窒化シリコン導波路、厚いシリコン リッジ導波路、薄い窒化シリコン導波路、ドープ シリコン導波路です。上部は、左から右に、デプレッション変調器、ゲルマニウム光検出器、ゲルマニウムです。光増幅器.

図 2: 典型的な伝播損失と屈折率を示す、シリコンベースの光導波路シリーズの断面図。