Passive Silizium-Photonik-Komponenten

Siliziumphotonikpassive Komponenten

In der Siliziumphotonik gibt es mehrere wichtige passive Komponenten. Einer davon ist ein oberflächenemittierender Gitterkoppler, wie in Abbildung 1A dargestellt. Es 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 es ideal für Messungen auf Waferebene und/oder die Kopplung an die Faser macht. Gitterkoppler sind insofern einzigartig in der Siliziumphotonik, als sie einen hohen vertikalen Indexkontrast erfordern. Wenn Sie beispielsweise versuchen, einen Gitterkoppler in einem herkömmlichen InP-Wellenleiter herzustellen, dringt das Licht direkt in das Substrat ein, anstatt vertikal emittiert zu werden, da der Gitterwellenleiter einen niedrigeren durchschnittlichen Brechungsindex als das Substrat hat. Damit es im InP funktioniert, muss Material unter dem Gitter ausgehoben werden, um es aufzuhängen, wie in Abbildung 1B dargestellt.

Abbildung 1: Oberflächenemittierende eindimensionale Gitterkoppler in Silizium (A) und InP (B). In (A) stehen Grau und Hellblau für Silizium bzw. Kieselsäure. In (B) stehen Rot und Orange für InGaAsP bzw. InP. Die Abbildungen (C) und (D) sind Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) eines inP aufgehängten freitragenden Gitterkopplers.

Eine weitere Schlüsselkomponente ist der Spot-Size-Konverter (SSC) zwischen denoptischer Wellenleiterund 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 verjüngt, was zu einer erheblichen Ausdehnung des Wellenleiters führtoptischModus-Patch. Dieser Modus kann durch einen aufgehängten Glaswellenleiter erfasst werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Mit einem solchen SSC kann problemlos ein Kopplungsverlust von weniger als 1,5 dB erreicht werden.

Abbildung 2: Mustergrößenkonverter für Siliziumdraht-Wellenleiter. Das Siliziummaterial bildet im Inneren des aufgehängten Glaswellenleiters eine umgekehrt konische Struktur. Unter dem aufgehängten Glaswellenleiter wurde das Siliziumsubstrat weggeätzt.

Die wichtigste passive Komponente ist der Polarisationsstrahlteiler. Einige Beispiele für Polarisationsteiler sind in Abbildung 3 dargestellt. Das 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 eingekoppelt werden kann, während transversal elektrisch (TE) polarisiertes Licht nahezu entkoppelt werden kann. Der dritte ist ein Gitterkoppler, bei dem die Faser in einem Winkel angeordnet 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 verlaufen, werden in den entsprechenden Wellenleiter eingekoppelt. Die Faser kann geneigt und an zwei Wellenleiter gekoppelt werden oder senkrecht zur Oberfläche und an vier Wellenleiter gekoppelt werden. Ein zusätzlicher Vorteil zweidimensionaler Gitterkoppler besteht darin, dass sie als Polarisationsrotatoren fungieren, was bedeutet, dass das gesamte Licht auf dem Chip die gleiche Polarisation aufweist, in der Faser jedoch zwei orthogonale Polarisationen verwendet werden.

Abbildung 3: Mehrere Polarisationsteiler.