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

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

Công nghệ quang tử silicon là một lĩnh vực sử dụng các cấu trúc phẳng dựa trên vật liệu silicon để điều hướng ánh sáng nhằm thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Ở đây, chúng ta tập trung vào ứng dụng của công nghệ quang tử silicon trong việc tạo ra các bộ phát và bộ thu cho truyền thông cáp quang. Khi nhu cầu tăng cường khả năng truyền tải ở một băng thông, kích thước và chi phí nhất định tăng lên, công nghệ quang tử silicon trở nên khả thi hơn về mặt kinh tế. Đối với phần quang học,công nghệ tích hợp quang tửphải được sử dụng, và hầu hết các bộ thu phát quang học đồng bộ hiện nay được chế tạo bằng cách sử dụng các bộ điều biến LiNbO3/ mạch quang học phẳng (PLC) riêng biệt và các bộ thu InP/PLC.

Hình 1: Minh họa các hệ vật liệu mạch tích hợp quang tử (PIC) thường được sử dụng.

Hình 1 thể hiện các hệ vật liệu PIC phổ biến nhất. Từ trái sang phải là PIC silica gốc silicon (còn gọi là PLC), PIC chất cách điện gốc silicon (quang tử silicon), niobat lithi (LiNbO3) và PIC nhóm III-V, chẳng hạn như InP và GaAs. Bài báo này tập trung vào quang tử gốc silicon.quang tử siliconTín hiệu ánh sáng chủ yếu truyền trong silicon, có khe năng lượng gián tiếp là 1,12 electron volt (với bước sóng 1,1 micromet). Silicon được nuôi cấy dưới dạng tinh thể tinh khiết trong lò nung và sau đó được cắt thành các tấm wafer, hiện nay thường có đường kính 300 mm. Bề mặt wafer được oxy hóa để tạo thành một lớp silica. Một trong hai tấm wafer được bắn phá bằng các nguyên tử hydro đến một độ sâu nhất định. Hai tấm wafer sau đó được nung chảy trong chân không và các lớp oxit của chúng liên kết với nhau. Cấu trúc này bị đứt dọc theo đường cấy ion hydro. Lớp silicon tại vết nứt sau đó được đánh bóng, cuối cùng để lại một lớp silicon tinh thể mỏng trên đỉnh của tấm wafer silicon "tay cầm" nguyên vẹn, nằm trên lớp silica. Các ống dẫn sóng được hình thành từ lớp tinh thể mỏng này. Mặc dù các tấm wafer cách điện dựa trên silicon (SOI) này cho phép tạo ra các ống dẫn sóng quang tử silicon tổn hao 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 dựa trên silicon khả thi, như thể hiện trong Hình 2. Chúng trải dài từ các ống dẫn sóng silica pha germanium kích thước vi mô đến các ống dẫn sóng Silicon Wire kích thước nano. Bằng cách pha trộn germanium, người ta có thể tạo rabộ tách sóng quangvà hấp thụ điệnbộ điều biếnvà thậm chí có thể cả bộ khuếch đại quang học. Bằng cách pha tạp silicon, mộtbộ điều biến quang họccó thể được chế tạo. Từ trái sang phải, hàng dưới gồm: ống dẫn sóng dây silicon, ống dẫn sóng silicon nitride, ống dẫn sóng silicon oxynitride, ống dẫn sóng silicon dạng gờ dày, ống dẫn sóng silicon nitride mỏng và ống dẫn sóng silicon pha tạp. Từ trái sang phải, hàng trên gồm: bộ điều biến suy giảm, bộ tách sóng quang germanium và germanium.bộ khuếch đại quang học.

Hình 2: Mặt cắt ngang của một loạt ống dẫn sóng quang dựa trên silicon, thể hiện tổn hao truyền dẫn và chỉ số khúc xạ điển hình.