Système matériel de circuit intégré photonique (PIC)

Système matériel de circuit intégré photonique (PIC)

La photonique sur silicium est une discipline qui utilise des structures planaires à base de matériaux à base de silicium pour diriger la lumière afin d'accomplir diverses fonctions. Nous nous concentrons ici sur l'application de la photonique sur silicium dans la création d'émetteurs et de récepteurs pour les communications par fibre optique. À mesure que la nécessité d’ajouter davantage de transmission à une bande passante donnée, une empreinte donnée et un coût donné augmente, la photonique sur silicium devient plus rentable sur le plan économique. Pour la partie optique,technologie d'intégration photoniquedoit être utilisé, et la plupart des émetteurs-récepteurs cohérents d'aujourd'hui sont construits à l'aide de modulateurs LiNbO3/circuit d'onde lumineuse planaire (PLC) séparés et de récepteurs InP/PLC.

Figure 1 : montre les systèmes de matériaux de circuits intégrés photoniques (PIC) couramment utilisés.

La figure 1 montre les systèmes de matériaux PIC les plus populaires. De gauche à droite se trouvent le PIC de silice à base de silicium (également connu sous le nom de PLC), le PIC d'isolant à base de silicium (photonique sur silicium), le niobate de lithium (LiNbO3) et le PIC du groupe III-V, tel que InP et GaAs. Cet article se concentre sur la photonique à base de silicium. Dansphotonique sur silicium, le signal lumineux voyage principalement dans le silicium, qui présente une bande interdite indirecte de 1,12 électron-volts (avec une longueur d'onde de 1,1 microns). Le silicium est cultivé sous forme de cristaux purs dans des fours, puis découpé en tranches qui mesurent aujourd'hui généralement 300 mm de diamètre. La surface de la tranche est oxydée pour former une couche de silice. L’une des tranches est bombardée d’atomes d’hydrogène jusqu’à une certaine profondeur. Les deux tranches sont ensuite fusionnées sous vide et leurs couches d'oxyde se lient l'une à l'autre. L'assemblage se rompt le long de la ligne d'implantation des ions hydrogène. La couche de silicium au niveau de la fissure est ensuite polie, laissant finalement une fine couche de Si cristallin sur la plaquette de silicium intacte au-dessus de 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 création de guides d'ondes photoniques en silicium à faibles pertes, elles sont en réalité plus couramment utilisées dans les circuits CMOS de faible puissance en raison du faible courant de fuite qu'elles fournissent.

Il existe de nombreuses formes possibles de guides d'ondes optiques à base de silicium, comme le montre la figure 2. Ils vont des guides d'ondes en silice dopés au germanium à l'échelle microscopique aux guides d'ondes en fil de silicium à l'échelle nanométrique. En mélangeant du germanium, il est possible de fairephotodétecteurset absorption électriquemodulateurs, et peut-être même des amplificateurs optiques. En dopant du silicium, unmodulateur optiquepeut être fait. En bas, de gauche à droite : guide d'onde en fil de silicium, guide d'onde en nitrure de silicium, guide d'onde en oxynitrure de silicium, guide d'onde à crête de silicium épaisse, guide d'onde en nitrure de silicium mince et guide d'onde en silicium dopé. En haut, de gauche à droite, se trouvent les modulateurs d'épuisement, les photodétecteurs au germanium et le 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.


Heure de publication : 15 juillet 2024