نظام المواد للدوائر المتكاملة الضوئية (PIC).

نظام المواد للدوائر المتكاملة الضوئية (PIC).

ضوئيات السيليكون هو مجال يستخدم الهياكل المستوية القائمة على مواد السيليكون لتوجيه الضوء لتحقيق مجموعة متنوعة من الوظائف. نحن نركز هنا على تطبيق ضوئيات السيليكون في إنشاء أجهزة الإرسال والاستقبال لاتصالات الألياف الضوئية. نظرًا للحاجة إلى إضافة المزيد من الإرسال عند عرض نطاق ترددي معين، وبصمة معينة، وزيادة تكلفة معينة، تصبح ضوئيات السيليكون أكثر سليمة من الناحية الاقتصادية. بالنسبة للجزء البصريتكنولوجيا التكامل الضوئييجب استخدامها، ومعظم أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة اليوم مبنية باستخدام مُعدِّلات دائرة الموجة الضوئية المستوية (PLC) المنفصلة LiNbO3 ومستقبلات InP/PLC.

الشكل 1: يُظهر أنظمة مواد الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC) شائعة الاستخدام.

يوضح الشكل 1 أنظمة مواد الموافقة المسبقة عن علم الأكثر شيوعًا. من اليسار إلى اليمين يوجد السيليكا PIC (المعروف أيضًا باسم PLC)، والعازل PIC (ضوئيات السيليكون)، نيوبات الليثيوم (LiNbO3)، ومجموعة III-V PIC، مثل InP وGaAs. تركز هذه الورقة على الضوئيات القائمة على السيليكون. فيالضوئيات السيليكون، تنتقل الإشارة الضوئية بشكل أساسي في السيليكون، الذي يحتوي على فجوة نطاق غير مباشرة تبلغ 1.12 إلكترون فولت (مع طول موجي 1.1 ميكرون). تتم زراعة السيليكون على شكل بلورات نقية في الأفران ثم يتم تقطيعه إلى رقائق يبلغ قطرها اليوم 300 ملم. يتأكسد سطح الرقاقة ليشكل طبقة من السيليكا. يتم قصف إحدى الرقاقات بذرات الهيدروجين إلى عمق معين. يتم بعد ذلك دمج الرقاقتين في فراغ وتترابط طبقات الأكسيد الخاصة بهما مع بعضها البعض. ينكسر التجميع على طول خط زرع أيون الهيدروجين. يتم بعد ذلك صقل طبقة السيليكون الموجودة في الكراك، مما يترك في النهاية طبقة رقيقة من Si البلوري فوق رقاقة "مقبض" السيليكون السليمة أعلى طبقة السيليكا. تتشكل الأدلة الموجية من هذه الطبقة البلورية الرقيقة. في حين أن هذه الرقائق العازلة القائمة على السيليكون (SOI) تجعل من الممكن استخدام أدلة موجية ضوئية من السيليكون منخفضة الفقد، إلا أنها في الواقع أكثر شيوعًا في دوائر CMOS منخفضة الطاقة بسبب تيار التسرب المنخفض الذي توفره.

هناك العديد من الأشكال المحتملة لأدلة الموجات الضوئية القائمة على السيليكون، كما هو موضح في الشكل 2. وهي تتراوح من أدلة الموجات الدقيقة المغطاة بالسيليكا المغطاة بالجرمانيوم إلى أدلة الموجات النانوية المصنوعة من سلك السيليكون. من الممكن صنعه عن طريق مزج الجرمانيومأجهزة الكشف الضوئيوالامتصاص الكهربائيالمغيرونوربما حتى مكبرات الصوت الضوئية. بواسطة المنشطات السيليكون، والمغير البصرييمكن صنعها. الجزء السفلي من اليسار إلى اليمين هو: الدليل الموجي سلك السيليكون، الدليل الموجي نيتريد السيليكون، الدليل الموجي أوكسينيتريد السيليكون، الدليل الموجي سلسلة من السيليكون السميك، الدليل الموجي نيتريد السيليكون الرقيق والدليل الموجي السيليكون المخدر. في الأعلى، من اليسار إلى اليمين، توجد مُعدِّلات الاستنفاد، وكاشفات ضوئية للجرمانيوم، والجرمانيوممكبرات الصوت الضوئية.

الشكل 2: مقطع عرضي لسلسلة دليل موجي ضوئي قائم على السيليكون، يُظهر خسائر الانتشار النموذجية ومؤشرات الانكسار.