نظام مواد الدائرة المتكاملة الفوتونية (PIC)
فوتونيات السيليكون هي مجال يستخدم هياكل مستوية مصنوعة من مواد السيليكون لتوجيه الضوء لتحقيق وظائف متنوعة. نركز هنا على تطبيق فوتونيات السيليكون في إنشاء أجهزة إرسال واستقبال لاتصالات الألياف الضوئية. مع تزايد الحاجة إلى زيادة الإرسال عند نطاق ترددي محدد، ومساحة تغطية محددة، وتكلفة محددة، تصبح فوتونيات السيليكون أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية. بالنسبة للجانب البصري،تكنولوجيا التكامل الفوتونييجب استخدام معظم أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة اليوم، ويتم بناؤها باستخدام أجهزة تعديل LiNbO3/دائرة الموجة الضوئية المستوية (PLC) المنفصلة ومستقبلات InP/PLC.
الشكل 1: يوضح أنظمة المواد المستخدمة بشكل شائع في الدوائر المتكاملة الفوتونية (PIC).
يوضح الشكل 1 أنظمة مواد PIC الأكثر شيوعًا. من اليسار إلى اليمين: PIC السيليكا (المعروف أيضًا باسم PLC)، وPIC العازل السيليكوني (فوتونيات السيليكون)، ونيوبات الليثيوم (LiNbO3)، ومجموعة PIC III-V، مثل InP وGaAs. تركز هذه الورقة البحثية على الفوتونيات السيليكونية.فوتونيات السيليكون، تنتقل الإشارة الضوئية بشكل أساسي في السيليكون، الذي يحتوي على فجوة نطاق غير مباشرة تبلغ 1.12 فولت إلكترون (بطول موجي 1.1 ميكرون). يُزرع السيليكون على شكل بلورات نقية في الأفران ثم يُقطع إلى رقائق، يبلغ قطرها عادةً 300 مم اليوم. يُؤكسد سطح الرقاقة لتكوين طبقة من السيليكا. تُقصف إحدى الرقاقات بذرات الهيدروجين إلى عمق معين. ثم تُدمج الرقاقتان في فراغ وترتبط طبقات أكسيدهما ببعضها البعض. ينكسر التجميع على طول خط زرع أيونات الهيدروجين. ثم تُصقل طبقة السيليكون عند الشق، تاركةً في النهاية طبقة رقيقة من السيليكون البلوري فوق رقاقة "المقبض" السيليكونية السليمة فوق طبقة السيليكا. تُشكل الموجهات الموجية من هذه الطبقة البلورية الرقيقة. على الرغم من أن رقائق العازل القائمة على السيليكون (SOI) تجعل من الممكن إنشاء موجهات فوتونية سيليكونية منخفضة الخسارة، إلا أنها في الواقع تستخدم بشكل أكثر شيوعًا في دوائر CMOS منخفضة الطاقة بسبب تيار التسرب المنخفض الذي توفره.
هناك العديد من الأشكال الممكنة للموجهات الضوئية القائمة على السيليكون، كما هو موضح في الشكل 2. وهي تتراوح من موجهات السيليكا المجهرية المُشبّعة بالجرمانيوم إلى موجهات أسلاك السيليكون النانوية. بمزج الجرمانيوم، يُمكن صنعأجهزة الكشف الضوئيوالامتصاص الكهربائيالمُعدِّلات، وربما حتى مكبرات بصرية. عن طريق إضافة مادة السيليكون،معدِّل بصرييمكن تصنيعها. في الأسفل من اليسار إلى اليمين: دليل موجي من سلك السيليكون، دليل موجي من نيتريد السيليكون، دليل موجي من أكسيد نيتريد السيليكون، دليل موجي من حافة السيليكون السميكة، دليل موجي من نيتريد السيليكون الرقيق، ودليل موجي من السيليكون المشوب. في الأعلى، من اليسار إلى اليمين، مُعدّلات الاستنفاد، كاشفات ضوئية من الجرمانيوم، ومُعدّلات الجرمانيوم.مكبرات بصرية.
الشكل 2: مقطع عرضي لسلسلة الموجات الضوئية القائمة على السيليكون، يظهر خسائر الانتشار النموذجية ومؤشرات الانكسار.
وقت النشر: ١٥ يوليو ٢٠٢٤