Ljósfræðilegt samþætt hringrásarefni (PIC)

Ljósfræðilegt samþætt hringrásarefni (PIC)

Kísilljósfræði er fræðigrein sem notar flatar byggingar úr kísilefnum til að beina ljósi til að ná fram fjölbreyttum aðgerðum. Við einbeitum okkur hér að notkun kísilljósfræði við að búa til senda og móttakara fyrir ljósleiðarasamskipti. Þegar þörfin fyrir að bæta við meiri sendingu á gefnu bandvíddi, gefnu fótspori og gefnum kostnaði eykst, verður kísilljósfræði hagkvæmari. Fyrir ljósfræðilega hlutann,ljósfræðileg samþættingartækniverður að nota, og flestir samhæfðir senditæki í dag eru smíðaðir með aðskildum LiNbO3/planar ljósbylgjurásar (PLC) móturum og InP/PLC móttakara.

Mynd 1: Sýnir algeng efniskerfi fyrir ljósfræðilega samþætta hringrás (PIC).

Mynd 1 sýnir vinsælustu PIC efniskerfin. Frá vinstri til hægri eru kísil-byggð kísil PIC (einnig þekkt sem PLC), kísil-byggð einangrunar-PIC (silicon photonics), litíumníóbat (LiNbO3) og III-V hópur PIC, eins og InP og GaAs. Þessi grein fjallar um kísil-byggða ljósfræði. Íkísill ljósfræði, ljósmerkið ferðast aðallega í kísil, sem hefur óbeint bandbil upp á 1,12 rafeindavolt (með bylgjulengd 1,1 míkron). Kísill er ræktaður í formi hreinna kristalla í ofnum og síðan skorinn í skífur, sem í dag eru yfirleitt 300 mm í þvermál. Yfirborð skífunnar er oxað til að mynda kísillag. Önnur skífan er sprengd með vetnisatómum niður í ákveðið dýpi. Skífurnar tvær eru síðan bræddar saman í lofttæmi og oxíðlög þeirra tengjast hvort öðru. Samsetningin brotnar eftir vetnisjónagræðslulínunni. Kísillagið við sprunguna er síðan pússað og skilur að lokum eftir þunnt lag af kristallaðri Si ofan á óskemmdu kísil-"handfangs"-skífunni ofan á kísillaginu. Bylgjuleiðarar eru myndaðir úr þessu þunna kristalla lagi. Þó að þessar kísil-byggðu einangrunarskífur (SOI) geri kísil-ljósfræðilegar bylgjuleiðarar með litlu tapi mögulegar, eru þær í raun algengari í lágorku CMOS-rásum vegna lágs lekastraums sem þær veita.

Margar mögulegar gerðir af ljósleiðurum úr kísil, eins og sést á mynd 2. Þær eru allt frá germaníum-dópuðum kísilbylgjuleiðurum á örskala til nanóskala kísilvírbylgjuleiðara. Með því að blanda germaníum er hægt að búa tilljósnemarog rafgleypnimótunartæki, og hugsanlega jafnvel ljósfræðilegir magnarar. Með því að blanda kísil saman,ljósleiðariHægt er að búa til. Neðst frá vinstri til hægri eru: kísilvírbylgjuleiðari, kísilnítríðbylgjuleiðari, kísiloxýnítríðbylgjuleiðari, þykkur kísilhryggbylgjuleiðari, þunnur kísilnítríðbylgjuleiðari og efnaður kísilbylgjuleiðari. Efst, frá vinstri til hægri, eru eyðingarstýringar, germaníumljósnemar og germaníumljósfræðilegir magnarar.

Mynd 2: Þversnið af sílikon-byggðri ljósbylgjuleiðaraöð, sem sýnir dæmigerð útbreiðslutap og ljósbrotsstuðul.