フォトニック集積回路（PIC）材料システム

フォトニック集積回路（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誘導し、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を作成する際のシリコンフォトニクスの応用について重点的に説明します。一定の帯域幅、一定のフットプリント、一定のコストでより多くの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有利になります。光の部分については、フォトニック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、別々の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ているフォトニック集積回路（PIC）材料システムを示す。

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（PLCとも呼ばれる）、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）、および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搬し、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マイクロメートル）です。シリコンは炉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。今日のウェーハの直径は通常300mmです。ウェーハの表面は酸化されてシリカ層が形成されます。一方のウェーハに水素原子を一定の深さまで照射します。次に、2枚のウェーハを真空中で融合し、酸化物層同士を結合させます。このアセンブリは水素イオン注入線に沿って破壊されます。その後、亀裂部分のシリコン層を研磨し、シリカ層の上に無傷のシリコン「ハンドル」ウェーハの上に薄い結晶性Si層を残します。この薄い結晶層から導波路が形成されます。これらのシリコンベースの絶縁体（SOI）ウェーハは低損失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多くの形態が存在する。それらは、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る。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シリコンにドーピングを施すことで、光変調器作製可能です。下段左から右へ、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。上段左から右へ、空乏型変調器、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。典型的な伝搬損失と屈折率を示している。