Siliziumphotonikpassive Komponenten
Es gibt mehrere wichtige passive Komponenten in der Siliziumphotonik. Eine davon ist ein oberflächenemittierender Gitterkoppler, wie in Abbildung 1A dargestellt. Er besteht aus einem starken Gitter im Wellenleiter, dessen Periode ungefähr der Wellenlänge der Lichtwelle im Wellenleiter entspricht. Dadurch kann das Licht senkrecht zur Oberfläche emittiert oder empfangen werden, was ihn ideal für Messungen auf Waferebene und/oder die Kopplung an die Faser macht. Gitterkoppler sind in der Siliziumphotonik insofern einzigartig, als sie einen hohen vertikalen Indexkontrast erfordern. Wenn Sie beispielsweise versuchen, einen Gitterkoppler in einem herkömmlichen InP-Wellenleiter herzustellen, tritt das Licht direkt in das Substrat ein, anstatt vertikal emittiert zu werden, weil der Gitterwellenleiter einen niedrigeren durchschnittlichen Brechungsindex als das Substrat aufweist. Damit er im InP funktioniert, muss Material unter dem Gitter ausgehoben werden, um es aufzuhängen, wie in Abbildung 1B dargestellt.
Abbildung 1: Oberflächenemittierende eindimensionale Gitterkoppler aus Silizium (A) und InP (B). In (A) stehen Grau und Hellblau für Silizium bzw. Siliciumdioxid. In (B) stehen Rot und Orange für InGaAsP bzw. InP. Abbildungen (C) und (D) zeigen Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM) eines freitragenden Gitterkopplers aus InP.
Eine weitere Schlüsselkomponente ist der Spot-Size-Konverter (SSC) zwischen demLichtwellenleiterund die Faser, die einen Modus von etwa 0,5 × 1 μm2 im Siliziumwellenleiter in einen Modus von etwa 10 × 10 μm2 in der Faser umwandelt. Ein typischer Ansatz ist die Verwendung einer Struktur namens „inverse taper“, bei der sich der Wellenleiter allmählich zu einer kleinen Spitze verengt, was zu einer deutlichen Erweiterung desoptischModenpatch. Dieser Modus kann durch einen schwebenden Glaswellenleiter eingefangen werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Mit einem solchen SSC lässt sich ein Kopplungsverlust von weniger als 1,5 dB problemlos erreichen.
Abbildung 2: Mustergrößenkonverter für Siliziumdraht-Wellenleiter. Das Siliziummaterial bildet innerhalb des aufgehängten Glaswellenleiters eine umgekehrt konische Struktur. Das Siliziumsubstrat wurde unter dem aufgehängten Glaswellenleiter weggeätzt.
Die wichtigste passive Komponente ist der Polarisationsstrahlteiler. Einige Beispiele für Polarisationsteiler sind in Abbildung 3 dargestellt. Der erste ist ein Mach-Zender-Interferometer (MZI), bei dem jeder Arm eine andere Doppelbrechung aufweist. Der zweite ist ein einfacher Richtkoppler. Die Formdoppelbrechung eines typischen Siliziumdrahtwellenleiters ist sehr hoch, sodass transversal magnetisch (TM) polarisiertes Licht vollständig gekoppelt werden kann, während transversal elektrisch (TE) polarisiertes Licht nahezu entkoppelt werden kann. Der dritte ist ein Gitterkoppler, bei dem die Faser in einem Winkel angebracht ist, sodass TE-polarisiertes Licht in eine Richtung und TM-polarisiertes Licht in die andere Richtung gekoppelt wird. Der vierte ist ein zweidimensionaler Gitterkoppler. Fasermoden, deren elektrische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters stehen, werden an den entsprechenden Wellenleiter gekoppelt. Die Faser kann geneigt und an zwei Wellenleiter gekoppelt werden oder senkrecht zur Oberfläche und an vier Wellenleiter. Ein zusätzlicher Vorteil zweidimensionaler Gitterkoppler besteht darin, dass sie als Polarisationsrotatoren fungieren. Dies bedeutet, dass das gesamte Licht auf dem Chip die gleiche Polarisation hat, in der Faser jedoch zwei orthogonale Polarisationen verwendet werden.
Abbildung 3: Mehrere Polarisationssplitter.
Veröffentlichungszeit: 16. Juli 2024