ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิก (PIC)

ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิก (PIC)

ซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นสาขาวิชาที่ใช้โครงสร้างระนาบโดยใช้วัสดุซิลิกอนเพื่อควบคุมแสงเพื่อให้บรรลุการทำงานที่หลากหลาย เรามุ่งเน้นที่การประยุกต์ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์ในการสร้างเครื่องส่งและตัวรับสำหรับการสื่อสารใยแก้วนำแสง เนื่องจากจำเป็นต้องเพิ่มการส่งข้อมูลที่แบนด์วิธที่กำหนด พื้นที่ใช้งานที่กำหนด และต้นทุนที่กำหนดเพิ่มขึ้น ซิลิคอนโฟโตนิกส์จึงมีความประหยัดมากขึ้น สำหรับชิ้นส่วนออพติคอลเทคโนโลยีบูรณาการโฟโตนิกต้องใช้ และตัวรับส่งสัญญาณที่สอดคล้องกันส่วนใหญ่ในปัจจุบันถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวปรับวงจรคลื่นแสง LiNbO3/ระนาบ (PLC) และตัวรับ InP/PLC แยกกัน

รูปที่ 1: แสดงระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิก (PIC) ที่ใช้กันทั่วไป

รูปที่ 1 แสดงระบบวัสดุ PIC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด จากซ้ายไปขวาคือ PIC ซิลิกาที่ใช้ซิลิกอน (หรือที่เรียกว่า PLC), PIC ฉนวนที่ใช้ซิลิกอน (โฟโตนิกส์ซิลิคอน), ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO3) และ PIC ของกลุ่ม III-V เช่น InP และ GaAs บทความนี้มุ่งเน้นไปที่โฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิคอน ในซิลิคอนโฟโตนิกส์โดยสัญญาณแสงจะเคลื่อนที่เป็นซิลิคอนเป็นหลัก ซึ่งมีช่องว่างแถบทางอ้อม 1.12 อิเล็กตรอนโวลต์ (ที่มีความยาวคลื่น 1.1 ไมครอน) ซิลิคอนเติบโตในรูปของผลึกบริสุทธิ์ในเตาเผา จากนั้นจึงตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งปัจจุบันมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. พื้นผิวเวเฟอร์ถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างชั้นซิลิกา เวเฟอร์ตัวหนึ่งถูกโจมตีด้วยอะตอมไฮโดรเจนจนถึงระดับความลึกหนึ่ง จากนั้นเวเฟอร์ทั้งสองจะถูกหลอมรวมในสุญญากาศ และชั้นออกไซด์ของพวกมันจะเกาะติดกัน การประกอบจะแตกไปตามแนวการฝังไฮโดรเจนไอออน จากนั้นชั้นซิลิคอนที่รอยแตกนั้นจะถูกขัดเงา และในที่สุดก็เหลือชั้นผลึก Si บาง ๆ ไว้ด้านบนของแผ่นเวเฟอร์ "ที่จับ" ของซิลิคอนที่ยังอยู่ในสภาพสมบูรณ์ที่ด้านบนของชั้นซิลิกา ท่อนำคลื่นถูกสร้างขึ้นจากชั้นผลึกบางๆ นี้ แม้ว่าเวเฟอร์ฉนวนที่ใช้ซิลิกอน (SOI) เหล่านี้จะทำให้ท่อนำคลื่นโฟโตนิกส์ซิลิคอนสูญเสียต่ำเป็นไปได้ แต่จริงๆ แล้วพวกมันมักใช้ในวงจร CMOS พลังงานต่ำเนื่องจากมีกระแสรั่วไหลต่ำ

มีท่อนำคลื่นแบบออปติคอลที่ใช้ซิลิกอนหลายรูปแบบที่เป็นไปได้ ดังแสดงในรูปที่ 2 มีตั้งแต่ท่อนำคลื่นซิลิกาเจือด้วยเจอร์เมเนียมด้วยกล้องจุลทรรศน์ ไปจนถึงท่อนำคลื่นลวดซิลิคอนระดับนาโน โดยการผสมเจอร์เมเนียมก็สามารถทำได้เครื่องตรวจจับแสงและการดูดซับไฟฟ้าโมดูเลเตอร์และอาจเป็นแม้กระทั่งเครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคอล โดยการเติมสารซิลิกอนโมดูเลเตอร์แสงสามารถทำได้ ด้านล่างจากซ้ายไปขวาคือ: ท่อนำคลื่นลวดซิลิคอน, ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์, ท่อนำคลื่นซิลิคอนออกซีไนไตรด์, ท่อนำคลื่นซิลิคอนหนา, ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์บาง ๆ และท่อนำคลื่นซิลิคอนเจือปน ที่ด้านบน จากซ้ายไปขวาคือตัวปรับพร่อง เครื่องตรวจจับแสงเจอร์เมเนียม และเจอร์เมเนียมเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล.

รูปที่ 2: ภาพตัดขวางของซีรีส์ท่อนำคลื่นแสงที่ใช้ซิลิคอน ซึ่งแสดงการสูญเสียการแพร่กระจายโดยทั่วไปและดัชนีการหักเหของแสง