ระบบวัสดุวงจรรวมโฟตอนิก (PIC)
ซิลิคอนโฟโตนิกส์เป็นสาขาที่ใช้โครงสร้างระนาบที่ทำจากวัสดุซิลิคอนเพื่อควบคุมทิศทางของแสงเพื่อให้ได้ฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลาย ในที่นี้เราจะเน้นที่การประยุกต์ใช้ซิลิคอนโฟโตนิกส์ในการสร้างตัวส่งและตัวรับสัญญาณสำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เนื่องจากความต้องการในการส่งสัญญาณที่มากขึ้นในแบนด์วิดท์ที่กำหนด ขนาดที่กำหนด และต้นทุนที่กำหนดเพิ่มขึ้น ซิลิคอนโฟโตนิกส์จึงมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจมากขึ้น สำหรับส่วนที่เป็นออปติคอลนั้นเทคโนโลยีการบูรณาการโฟตอนิกส์จำเป็นต้องใช้ และทรานซีฟเวอร์แบบโคherent ส่วนใหญ่ในปัจจุบันสร้างขึ้นโดยใช้โมดูเลเตอร์ LiNbO3/วงจรแสงระนาบ (PLC) และตัวรับสัญญาณ InP/PLC แยกกัน
รูปที่ 1: แสดงระบบวัสดุวงจรรวมโฟตอนิก (PIC) ที่ใช้กันทั่วไป
รูปที่ 1 แสดงระบบวัสดุ PIC ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด จากซ้ายไปขวา ได้แก่ PIC ซิลิกาที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐาน (หรือที่รู้จักกันในชื่อ PLC), PIC ฉนวนที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐาน (ซิลิคอนโฟโตนิกส์), ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO3) และ PIC กลุ่ม III-V เช่น InP และ GaAs บทความนี้มุ่งเน้นไปที่โฟโตนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนเป็นฐานซิลิคอนโฟโตนิกส์สัญญาณแสงส่วนใหญ่เดินทางในซิลิคอน ซึ่งมีช่องว่างแถบพลังงานทางอ้อม 1.12 อิเล็กตรอนโวลต์ (ที่ความยาวคลื่น 1.1 ไมครอน) ซิลิคอนถูกปลูกในรูปของผลึกบริสุทธิ์ในเตาเผาแล้วตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งปัจจุบันโดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มิลลิเมตร พื้นผิวของเวเฟอร์จะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างชั้นซิลิกา เวเฟอร์แผ่นหนึ่งจะถูกยิงด้วยอะตอมไฮโดรเจนจนถึงความลึกระดับหนึ่ง จากนั้นเวเฟอร์ทั้งสองจะถูกหลอมรวมกันในสุญญากาศและชั้นออกไซด์ของพวกมันจะเชื่อมติดกัน ชิ้นส่วนที่ประกอบกันจะแตกตามแนวเส้นการฝังไอออนไฮโดรเจน จากนั้นชั้นซิลิคอนที่รอยแตกจะถูกขัดเงา จนในที่สุดจะเหลือชั้นซิลิคอนผลึกบางๆ อยู่บนเวเฟอร์ซิลิคอน "ด้ามจับ" ที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ซึ่งอยู่บนชั้นซิลิกา ท่อนำคลื่นถูกสร้างขึ้นจากชั้นผลึกบางๆ นี้ แม้ว่าแผ่นเวเฟอร์ฉนวนซิลิคอน (SOI) เหล่านี้จะทำให้สามารถสร้างท่อนำคลื่นโฟตอนิกส์ซิลิคอนที่มีการสูญเสียต่ำได้ แต่ในความเป็นจริงแล้วมักนำไปใช้ในวงจร CMOS ที่ใช้พลังงานต่ำมากกว่า เนื่องจากมีกระแสรั่วไหลต่ำ
มีตัวนำแสงแบบซิลิคอนหลายรูปแบบที่เป็นไปได้ ดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งมีตั้งแต่ตัวนำแสงซิลิกาที่เจือด้วยเจอร์มาเนียมขนาดไมโครสเกล ไปจนถึงตัวนำแสงแบบลวดซิลิคอนขนาดนาโนสเกล โดยการผสมเจอร์มาเนียมเข้าไป ทำให้สามารถสร้างตัวนำแสงได้หลากหลายรูปแบบเครื่องตรวจจับแสงและการดูดซับทางไฟฟ้าตัวปรับสัญญาณและอาจรวมถึงเครื่องขยายสัญญาณแสงด้วย โดยการเติมสารเจือลงในซิลิคอนตัวปรับสัญญาณแสงสามารถสร้างได้ ด้านล่างจากซ้ายไปขวา ได้แก่ ท่อนำคลื่นแบบลวดซิลิคอน, ท่อนำคลื่นแบบไนไตรด์ซิลิคอน, ท่อนำคลื่นแบบออกซิไนไตรด์ซิลิคอน, ท่อนำคลื่นแบบสันซิลิคอนหนา, ท่อนำคลื่นแบบไนไตรด์ซิลิคอนบาง และท่อนำคลื่นแบบซิลิคอนเจือสาร ด้านบนจากซ้ายไปขวา ได้แก่ ตัวปรับสัญญาณแบบลดทอน, ตัวตรวจจับแสงเจอร์มาเนียม และเจอร์มาเนียมเครื่องขยายสัญญาณแสง.
รูปที่ 2: ภาพตัดขวางของชุดท่อนำแสงแบบซิลิคอน แสดงให้เห็นถึงการสูญเสียการแพร่กระจายและดัชนีหักเหโดยทั่วไป
วันที่เผยแพร่: 15 กรกฎาคม 2567