Sistema ng materyal na photonic integrated circuit (PIC)

Sistema ng materyal na photonic integrated circuit (PIC)

Ang Silicon Photonics ay isang disiplina na gumagamit ng mga planar na istruktura batay sa mga materyales na silikon upang idirekta ang liwanag upang makamit ang iba't ibang mga tungkulin. Nakatuon kami rito sa aplikasyon ng silicon photonics sa paglikha ng mga transmitter at receiver para sa mga komunikasyon na fiber optic. Habang tumataas ang pangangailangang magdagdag ng higit pang transmisyon sa isang partikular na bandwidth, isang partikular na footprint, at isang partikular na gastos, ang silicon photonics ay nagiging mas matipid. Para sa optical na bahagi,teknolohiya ng photonic integrationdapat gamitin, at karamihan sa mga coherent transceiver ngayon ay ginagawa gamit ang magkakahiwalay na LiNbO3/planar light-wave circuit (PLC) modulators at InP/PLC receivers.

Pigura 1: Ipinapakita ang mga karaniwang ginagamit na sistema ng materyal na photonic integrated circuit (PIC).

Ipinapakita ng Figure 1 ang pinakasikat na mga sistema ng materyal na PIC. Mula kaliwa pakanan ay ang silicon-based silica PIC (kilala rin bilang PLC), silicon-based insulator PIC (silicon photonics), lithium niobate (LiNbO3), at III-V group PIC, tulad ng InP at GaAs. Ang papel na ito ay nakatuon sa silicon-based photonics. Sasilicon photonics, ang signal ng liwanag ay pangunahing naglalakbay sa silicon, na may indirect band gap na 1.12 electron volts (na may wavelength na 1.1 microns). Ang silicon ay pinalalaki sa anyo ng mga purong kristal sa mga hurno at pagkatapos ay pinuputol sa mga wafer, na sa kasalukuyan ay karaniwang 300 mm ang diyametro. Ang ibabaw ng wafer ay na-oxidize upang bumuo ng isang silica layer. Ang isa sa mga wafer ay binobomba ng mga atomo ng hydrogen sa isang tiyak na lalim. Ang dalawang wafer ay pagkatapos ay pinagsasama sa isang vacuum at ang kanilang mga oxide layer ay nagdidikit sa isa't isa. Ang assembly ay nababasag sa linya ng implantation ng hydrogen ion. Ang silicon layer sa crack ay pagkatapos ay pinakintab, na kalaunan ay nag-iiwan ng isang manipis na layer ng crystalline Si sa ibabaw ng buo na silicon "handle" wafer sa ibabaw ng silicon layer. Ang mga waveguide ay nabubuo mula sa manipis na crystalline layer na ito. Bagama't ginagawang posible ng mga silicon-based insulator (SOI) wafer na ito ang mga low-loss silicon photonics waveguide, ang mga ito ay mas karaniwang ginagamit sa mga low-power CMOS circuit dahil sa mababang leakage current na ibinibigay ng mga ito.

Maraming posibleng anyo ng silicon-based optical waveguides, gaya ng ipinapakita sa Figure 2. Mula sa microscale germanium-doped silica waveguides hanggang sa nanoscale Silicon Wire waveguides ang mga ito. Sa pamamagitan ng paghahalo ng germanium, posibleng makagawa ngmga photodetectorat pagsipsip ng kuryentemga modulator, at posibleng maging mga optical amplifier. Sa pamamagitan ng pagdodope ng silicon, isangmodulator na optikalmaaaring gawin. Ang ibaba mula kaliwa pakanan ay: silicon wire waveguide, silicon nitride waveguide, silicon oxynitride waveguide, makapal na silicon ridge waveguide, manipis na silicon nitride waveguide at doped silicon waveguide. Sa itaas, mula kaliwa pakanan, ay mga depletion modulator, germanium photodetector, at germaniummga optical amplifier.

Pigura 2: Cross-section ng isang serye ng optical waveguide na nakabatay sa silicon, na nagpapakita ng mga tipikal na propagation losses at refractive indices.