Siliziumphotonikpassive Bauelemente
In der Siliziumphotonik gibt es mehrere wichtige passive Komponenten. Eine davon ist der oberflächenemittierende Gitterkoppler (siehe Abbildung 1A). Er besteht aus einem Gitter im Wellenleiter, dessen Periode annähernd der Wellenlänge der Lichtwelle im Wellenleiter entspricht. Dadurch kann das Licht senkrecht zur Oberfläche emittiert oder empfangen werden, was ihn ideal für Wafer-Level-Messungen und/oder die Einkopplung in eine Faser macht. Gitterkoppler sind in der Siliziumphotonik insofern einzigartig, als sie einen hohen vertikalen Brechungsindexkontrast erfordern. Versucht man beispielsweise, einen Gitterkoppler in einem herkömmlichen InP-Wellenleiter zu realisieren, dringt das Licht direkt in das Substrat ein, anstatt vertikal emittiert zu werden, da der Gitterwellenleiter einen niedrigeren mittleren Brechungsindex als das Substrat aufweist. Um den Koppler in InP zu realisieren, muss Material unterhalb des Gitters abgetragen werden, um es zu stützen (siehe Abbildung 1B).
Abbildung 1: Oberflächenemittierende eindimensionale Gitterkoppler in Silizium (A) und InP (B). In (A) stellen Grau und Hellblau Silizium bzw. Quarzglas dar. In (B) stellen Rot und Orange InGaAsP bzw. InP dar. Abbildungen (C) und (D) sind Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM) eines freitragenden InP-Gitterkopplers.
Eine weitere wichtige Komponente ist der Spot-Size-Konverter (SSC) zwischen demoptischer WellenleiterDie Faser wandelt einen Modus von etwa 0,5 × 1 μm² im Silizium-Wellenleiter in einen Modus von etwa 10 × 10 μm² in der Faser um. Ein typischer Ansatz ist die Verwendung einer Struktur namens inverser Taper, bei der sich der Wellenleiter allmählich zu einer kleinen Spitze verjüngt, was zu einer signifikanten Erweiterung desoptischModenpatch. Diese Mode kann, wie in Abbildung 2 dargestellt, durch einen freitragenden Glaswellenleiter eingefangen werden. Mit einem solchen SSC lässt sich eine Kopplungsdämpfung von weniger als 1,5 dB problemlos erreichen.
Abbildung 2: Mustergrößenkonverter für Siliziumdrahtwellenleiter. Das Siliziummaterial bildet eine inverse Kegelstruktur innerhalb des freitragenden Glaswellenleiters. Das Siliziumsubstrat unterhalb des freitragenden Glaswellenleiters wurde weggeätzt.
Die wichtigste passive Komponente ist der Polarisationsstrahlteiler. Einige Beispiele für Polarisationsstrahlteiler sind in Abbildung 3 dargestellt. Das erste ist ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), bei dem jeder Arm eine unterschiedliche Doppelbrechung aufweist. Das zweite ist ein einfacher Richtkoppler. Die Formdoppelbrechung eines typischen Siliziumdrahtwellenleiters ist sehr hoch, sodass transversal magnetisch (TM) polarisiertes Licht vollständig eingekoppelt, transversal elektrisch (TE) polarisiertes Licht hingegen nahezu ungekoppelt bleibt. Das dritte ist ein Gitterkoppler, bei dem die Faser so angeordnet ist, dass TE-polarisiertes Licht in die eine und TM-polarisiertes Licht in die andere Richtung eingekoppelt wird. Das vierte ist ein zweidimensionaler Gitterkoppler. Fasermoden, deren elektrische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters verlaufen, werden an den entsprechenden Wellenleiter gekoppelt. Die Faser kann geneigt und an zwei Wellenleiter gekoppelt oder senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet und an vier Wellenleiter gekoppelt werden. Ein weiterer Vorteil zweidimensionaler Gitterkoppler besteht darin, dass sie als Polarisationsrotatoren fungieren. Das bedeutet, dass alles Licht auf dem Chip die gleiche Polarisation aufweist, in der Faser jedoch zwei orthogonale Polarisationen verwendet werden.
Abbildung 3: Mehrere Polarisationssplitter.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juli 2024