ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC)

ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC)

ซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นสาขาวิชาที่ใช้โครงสร้างแบบระนาบที่ทำจากวัสดุซิลิคอนเพื่อควบคุมแสงเพื่อให้เกิดฟังก์ชันต่างๆ ที่นี่เราจะเน้นที่การประยุกต์ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์ในการสร้างเครื่องส่งและเครื่องรับสำหรับการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก เมื่อมีความจำเป็นต้องเพิ่มการส่งข้อมูลในแบนด์วิดท์ที่กำหนด พื้นที่ที่กำหนด และต้นทุนที่กำหนด ซิลิคอนโฟโตนิกส์จึงมีความคุ้มทุนมากขึ้น สำหรับส่วนออปติกเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนิกส์ต้องใช้ และเครื่องส่งสัญญาณที่มีความสอดคล้องกันส่วนใหญ่ในปัจจุบันถูกสร้างขึ้นโดยใช้โมดูเลเตอร์วงจรคลื่นแสงระนาบ (PLC) LiNbO3/แยก และตัวรับ InP/PLC

รูปที่ 1: แสดงระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC) ที่ใช้ทั่วไป

รูปที่ 1 แสดงระบบวัสดุ PIC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด จากซ้ายไปขวาคือ PIC ซิลิกาที่ใช้ซิลิกอน (เรียกอีกอย่างว่า PLC), PIC ฉนวนที่ใช้ซิลิกอน (โฟโตนิกส์ซิลิกอน), ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO3) และ PIC กลุ่ม III-V เช่น InP และ GaAs บทความนี้เน้นที่โฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนโฟโตนิกส์ซิลิคอนสัญญาณแสงส่วนใหญ่เดินทางในซิลิกอนซึ่งมีแบนด์แก๊ปทางอ้อมที่ 1.12 อิเล็กตรอนโวลต์ (โดยมีความยาวคลื่น 1.1 ไมครอน) ซิลิกอนถูกปลูกในรูปของผลึกบริสุทธิ์ในเตาเผา จากนั้นจึงตัดเป็นเวเฟอร์ ซึ่งในปัจจุบันโดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. พื้นผิวของเวเฟอร์จะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างชั้นซิลิกา เวเฟอร์แผ่นหนึ่งจะถูกโจมตีด้วยอะตอมไฮโดรเจนจนถึงความลึกที่กำหนด จากนั้นเวเฟอร์ทั้งสองแผ่นจะถูกหลอมรวมในสุญญากาศและชั้นออกไซด์ของเวเฟอร์จะเชื่อมกัน การประกอบจะแตกตามแนวการฝังไอออนไฮโดรเจน จากนั้นชั้นซิลิกอนที่รอยแตกจะถูกขัดเงา จนในที่สุดก็เหลือชั้นผลึกบางๆ ของซิลิกอนทับบนเวเฟอร์ "ที่จับ" ซิลิกอนที่ยังคงสภาพสมบูรณ์บนชั้นซิลิกา ท่อนำคลื่นจะถูกสร้างขึ้นจากชั้นผลึกบางๆ นี้ แม้ว่าเวเฟอร์ฉนวนที่ใช้ซิลิกอน (SOI) เหล่านี้จะทำให้สามารถสร้างคลื่นนำทางโฟโตนิกส์ซิลิกอนที่มีการสูญเสียต่ำได้ แต่จริงๆ แล้วเวเฟอร์เหล่านี้มักใช้กันมากกว่าในวงจร CMOS พลังงานต่ำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ารั่วที่เวเฟอร์เหล่านี้ให้มานั้นต่ำ

มีท่อนำแสงแบบซิลิกอนหลายรูปแบบที่เป็นไปได้ ดังที่แสดงในรูปที่ 2 ซึ่งมีตั้งแต่ท่อนำแสงซิลิกาที่เจือด้วยเจอร์เมเนียมในระดับไมโครไปจนถึงท่อนำแสงซิลิคอนแบบลวดในระดับนาโน โดยการผสมเจอร์เมเนียมเข้าด้วยกัน จะทำให้สามารถสร้างเครื่องตรวจจับแสงและการดูดซับไฟฟ้าตัวปรับเปลี่ยนและอาจรวมถึงเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลด้วย โดยการเจือสารซิลิกอนตัวปรับแสงออปติคอลสามารถทำได้ ด้านล่างจากซ้ายไปขวาคือ ท่อนำคลื่นซิลิกอน ท่อนำคลื่นซิลิกอนไนไตรด์ ท่อนำคลื่นซิลิกอนออกซิไนไตรด์ ท่อนำคลื่นซิลิกอนสันหนา ท่อนำคลื่นซิลิกอนไนไตรด์บาง และท่อนำคลื่นซิลิกอนโดป ด้านบนจากซ้ายไปขวาคือ ตัวปรับการพร่อง ตัวตรวจจับแสงเจอร์เมเนียม และเจอร์เมเนียมเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล.

รูปที่ 2: หน้าตัดของชุดท่อนำแสงแบบซิลิกอน แสดงให้เห็นการสูญเสียการแพร่กระจายและดัชนีการหักเหของแสงโดยทั่วไป