ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC)

ระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC)

ซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นสาขาวิชาที่ใช้โครงสร้างระนาบที่ทำจากวัสดุซิลิคอนเพื่อควบคุมทิศทางแสงเพื่อให้เกิดฟังก์ชันที่หลากหลาย ในที่นี้ เราจะมุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์ในการสร้างเครื่องส่งและเครื่องรับสำหรับการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง เมื่อความต้องการในการเพิ่มการส่งสัญญาณที่แบนด์วิดท์ พื้นที่ และต้นทุนที่กำหนดเพิ่มขึ้น ซิลิคอนโฟโตนิกส์จึงมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจมากขึ้น สำหรับส่วนออปติคัลเทคโนโลยีการบูรณาการโฟตอนิกส์จะต้องใช้ และเครื่องส่งสัญญาณที่สอดคล้องกันส่วนใหญ่ในปัจจุบันถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวปรับเปลี่ยนวงจรคลื่นแสงระนาบ (PLC) LiNbO3/แยกกัน และตัวรับ InP/PLC

รูปที่ 1: แสดงระบบวัสดุวงจรรวมโฟโตนิกส์ (PIC) ที่ใช้กันทั่วไป

รูปที่ 1 แสดงระบบวัสดุ PIC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด จากซ้ายไปขวาคือ PIC ที่ใช้ซิลิกาเป็นฐานซิลิคอน (หรือที่เรียกว่า PLC), PIC ที่ใช้ฉนวนเป็นฐานซิลิคอน (ซิลิคอนโฟโตนิกส์), ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO3) และ PIC ในกลุ่ม III-V เช่น InP และ GaAs บทความนี้มุ่งเน้นไปที่โฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนซิลิคอนโฟโตนิกส์สัญญาณแสงส่วนใหญ่เดินทางในซิลิคอน ซึ่งมีแบนด์แก๊ปทางอ้อม 1.12 อิเล็กตรอนโวลต์ (ความยาวคลื่น 1.1 ไมครอน) ซิลิคอนถูกปลูกในรูปผลึกบริสุทธิ์ในเตาเผา แล้วจึงตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งปัจจุบันโดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มิลลิเมตร พื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์จะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างชั้นซิลิกา แผ่นเวเฟอร์แผ่นหนึ่งถูกยิงด้วยอะตอมไฮโดรเจนจนถึงความลึกที่กำหนด จากนั้นแผ่นเวเฟอร์ทั้งสองจะถูกหลอมรวมในสุญญากาศและชั้นออกไซด์ของแผ่นเวเฟอร์จะยึดติดกัน ส่วนประกอบจะแตกออกตามแนวการฝังไอออนไฮโดรเจน จากนั้นชั้นซิลิคอนที่รอยแตกจะถูกขัดเงา จนในที่สุดก็เหลือชั้นผลึก Si บางๆ ทับบนแผ่นเวเฟอร์ "handle" ซิลิคอนที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ ซึ่งอยู่ด้านบนของชั้นซิลิกา ท่อนำคลื่นถูกสร้างขึ้นจากชั้นผลึกบางๆ นี้ แม้ว่าเวเฟอร์ฉนวนซิลิคอน (SOI) เหล่านี้จะทำให้สามารถใช้เวฟไกด์โฟโตนิกส์ซิลิคอนที่มีการสูญเสียต่ำได้ แต่จริงๆ แล้วเวเฟอร์เหล่านี้มักใช้กันทั่วไปในวงจร CMOS กำลังไฟต่ำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้ารั่วไหลต่ำที่เวเฟอร์เหล่านี้ให้

ท่อนำคลื่นแสงที่ใช้ซิลิคอนมีรูปแบบที่เป็นไปได้หลายแบบ ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งมีตั้งแต่ท่อนำคลื่นซิลิกาที่เจือด้วยเจอร์เมเนียมระดับไมโคร ไปจนถึงท่อนำคลื่นซิลิคอนไวร์ระดับนาโน การผสมเจอร์เมเนียมทำให้สามารถผลิตเครื่องตรวจจับแสงและการดูดซับไฟฟ้าตัวปรับเปลี่ยนและอาจรวมถึงเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลด้วย โดยการเจือซิลิกอนตัวปรับแสงสามารถทำได้ ด้านล่างจากซ้ายไปขวา ได้แก่ ท่อนำคลื่นซิลิคอนแบบลวด, ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์, ท่อนำคลื่นซิลิคอนออกซิไนไตรด์, ท่อนำคลื่นซิลิคอนริดจ์แบบหนา, ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์แบบบาง และท่อนำคลื่นซิลิคอนโดป ด้านบนจากซ้ายไปขวา ได้แก่ ตัวปรับการพร่อง, ตัวตรวจจับแสงเจอร์เมเนียม และเจอร์เมเนียมเครื่องขยายสัญญาณออปติคอล.

รูปที่ 2: หน้าตัดของชุดท่อนำแสงแบบซิลิกอน แสดงให้เห็นการสูญเสียการแพร่กระจายและดัชนีการหักเหแสงโดยทั่วไป