Système de matériaux pour circuits intégrés photoniques (PIC)
La photonique sur silicium est une discipline qui utilise des structures planaires à base de silicium pour diriger la lumière et réaliser diverses fonctions. Nous nous concentrons ici sur l'application de la photonique sur silicium à la création d'émetteurs et de récepteurs pour les communications par fibre optique. Face à la nécessité d'accroître la capacité de transmission à bande passante, encombrement et coût constants, la photonique sur silicium devient une solution économiquement plus avantageuse. Concernant la partie optique,technologie d'intégration photoniquedoit être utilisé, et la plupart des émetteurs-récepteurs cohérents actuels sont construits à l'aide de modulateurs LiNbO3/circuits à ondes lumineuses planaires (PLC) et de récepteurs InP/PLC séparés.
Figure 1 : Présente les systèmes de matériaux de circuits intégrés photoniques (PIC) couramment utilisés.
La figure 1 présente les systèmes de matériaux PIC les plus courants. De gauche à droite : les PIC à base de silice (également appelées PLC), les PIC à base d’isolants (photonique sur silicium), le niobate de lithium (LiNbO3) et les PIC du groupe III-V, tels que InP et GaAs. Cet article porte sur la photonique à base de silicium.photonique sur siliciumLe signal lumineux se propage principalement dans le silicium, qui possède une bande interdite indirecte de 1,12 électronvolt (avec une longueur d'onde de 1,1 micron). Le silicium est cultivé sous forme de cristaux purs dans des fours, puis découpé en plaquettes, dont le diamètre est aujourd'hui typiquement de 300 mm. La surface de la plaquette est oxydée pour former une couche de silice. L'une des plaquettes est bombardée d'atomes d'hydrogène jusqu'à une certaine profondeur. Les deux plaquettes sont ensuite fusionnées sous vide et leurs couches d'oxyde se lient. L'assemblage se rompt le long de la ligne d'implantation ionique d'hydrogène. La couche de silicium au niveau de la fissure est alors polie, laissant finalement une fine couche de silicium cristallin sur la plaquette de silicium intacte, elle-même déposée sur la couche de silice. Des guides d'ondes sont formés à partir de cette fine couche cristalline. Bien que ces plaquettes d'isolant à base de silicium (SOI) permettent la réalisation de guides d'ondes photoniques sur silicium à faibles pertes, elles sont en réalité plus couramment utilisées dans les circuits CMOS basse consommation en raison de leur faible courant de fuite.
Il existe de nombreuses formes possibles de guides d'ondes optiques à base de silicium, comme illustré sur la figure 2. Elles vont des guides d'ondes en silice dopée au germanium à l'échelle micrométrique aux guides d'ondes en fil de silicium à l'échelle nanométrique. L'incorporation de germanium permet de fabriquerphotodétecteurset l'absorption électriquemodulateurset peut-être même des amplificateurs optiques. En dopant le silicium, unmodulateur optiquepeuvent être fabriqués. En bas, de gauche à droite : guide d’ondes en fil de silicium, guide d’ondes en nitrure de silicium, guide d’ondes en oxynitrure de silicium, guide d’ondes à crête de silicium épaisse, guide d’ondes en nitrure de silicium mince et guide d’ondes en silicium dopé. En haut, de gauche à droite : modulateurs à déplétion, photodétecteurs au germanium et germaniumamplificateurs optiques.
Figure 2 : Coupe transversale d'une série de guides d'ondes optiques à base de silicium, montrant les pertes de propagation et les indices de réfraction typiques.
Date de publication : 15 juillet 2024