Hệ thống vật liệu mạch tích hợp quang tử (PIC)

Hệ thống vật liệu mạch tích hợp quang tử (PIC)

Photonic silicon là một ngành sử dụng các cấu trúc phẳng dựa trên vật liệu silicon để hướng ánh sáng nhằm đạt được nhiều chức năng khác nhau. Ở đây, chúng tôi tập trung vào ứng dụng của photonic silicon trong việc tạo ra các máy phát và máy thu cho truyền thông cáp quang. Khi nhu cầu tăng thêm khả năng truyền dẫn ở một băng thông nhất định, một diện tích nhất định và một chi phí nhất định tăng lên, photonic silicon trở nên hợp lý hơn về mặt kinh tế. Đối với phần quang học,công nghệ tích hợp quang tửphải được sử dụng và hầu hết các máy thu phát tín hiệu đồng bộ hiện nay đều được chế tạo bằng cách sử dụng bộ điều biến mạch sóng ánh sáng phẳng (PLC) LiNbO3/ và bộ thu InP/PLC riêng biệt.

Hình 1: Hiển thị các hệ thống vật liệu mạch tích hợp quang tử (PIC) thường dùng.

Hình 1 cho thấy các hệ thống vật liệu PIC phổ biến nhất. Từ trái sang phải là silicon-based silica PIC (còn được gọi là PLC), silicon-based insulator PIC (silicon photonics), lithium niobate (LiNbO3) và III-V group PIC, chẳng hạn như InP và GaAs. Bài báo này tập trung vào silicon-based photonics. Trongquang tử silicon, tín hiệu ánh sáng chủ yếu đi qua silicon, có khoảng cách dải gián tiếp là 1,12 electron vôn (với bước sóng 1,1 micron). Silic được nuôi cấy dưới dạng tinh thể nguyên chất trong lò nung và sau đó cắt thành các tấm wafer, ngày nay thường có đường kính 300 mm. Bề mặt wafer được oxy hóa để tạo thành lớp silica. Một trong các tấm wafer được bắn phá bằng các nguyên tử hydro ở độ sâu nhất định. Sau đó, hai tấm wafer được hợp nhất trong chân không và các lớp oxit của chúng liên kết với nhau. Cụm lắp ráp bị phá vỡ dọc theo đường cấy ion hydro. Sau đó, lớp silicon tại vết nứt được đánh bóng, cuối cùng để lại một lớp Si tinh thể mỏng trên tấm wafer "tay cầm" silicon còn nguyên vẹn trên lớp silica. Các ống dẫn sóng được hình thành từ lớp tinh thể mỏng này. Mặc dù các tấm wafer cách điện gốc silicon (SOI) này giúp tạo ra các ống dẫn sóng photonic silicon có tổn thất thấp, nhưng chúng thực sự được sử dụng phổ biến hơn trong các mạch CMOS công suất thấp do dòng rò rỉ thấp mà chúng cung cấp.

Có nhiều dạng ống dẫn sóng quang học dựa trên silicon có thể có, như thể hiện trong Hình 2. Chúng bao gồm từ ống dẫn sóng silica pha tạp germanium ở quy mô vi mô đến ống dẫn sóng dây silicon ở quy mô nano. Bằng cách pha trộn germanium, có thể tạo rabộ tách sóng quangvà hấp thụ điệnbộ điều biếnvà thậm chí có thể là bộ khuếch đại quang học. Bằng cách pha tạp silicon, mộtbộ điều biến quang họccó thể được thực hiện. Phía dưới từ trái sang phải là: ống dẫn sóng dây silicon, ống dẫn sóng silicon nitride, ống dẫn sóng silicon oxynitride, ống dẫn sóng gờ silicon dày, ống dẫn sóng silicon nitride mỏng và ống dẫn sóng silicon pha tạp. Phía trên, từ trái sang phải, là bộ điều biến cạn kiệt, bộ tách sóng quang germani và germanibộ khuếch đại quang học.

Hình 2: Mặt cắt ngang của một loạt ống dẫn sóng quang học dựa trên silicon, cho thấy tổn thất lan truyền và chiết suất điển hình.