ส่วนประกอบแบบพาสซีฟของซิลิคอนโฟโตนิกส์

ซิลิคอนโฟโตนิกส์ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

มีองค์ประกอบเชิงพาสซีฟที่สำคัญหลายประการในซิลิคอนโฟโตนิกส์ หนึ่งในนั้นคือข้อต่อตะแกรงที่เปล่งแสงที่พื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 1A ประกอบด้วยตะแกรงแรงในท่อนำคลื่นซึ่งมีคาบประมาณเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นแสงในท่อนำคลื่น ช่วยให้แสงถูกปล่อยออกมาหรือได้รับในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดระดับเวเฟอร์และ/หรือการเชื่อมต่อกับไฟเบอร์ ข้อต่อแบบตะแกรงมีลักษณะเฉพาะสำหรับซิลิคอนโฟโตนิกส์เนื่องจากต้องการคอนทราสต์ดัชนีแนวตั้งสูง ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามสร้างตะแกรงข้อต่อในท่อนำคลื่น InP ทั่วไป แสงจะรั่วไหลเข้าสู่ซับสเตรตโดยตรง แทนที่จะปล่อยออกมาในแนวตั้ง เนื่องจากท่อนำคลื่นเกรตติ้งมีดัชนีการหักเหของแสงเฉลี่ยต่ำกว่าซับสเตรต เพื่อให้ทำงานได้ใน InP จะต้องขุดวัสดุไว้ใต้ตะแกรงเพื่อแขวนไว้ ดังแสดงในรูปที่ 1B

รูปที่ 1: ข้อต่อตะแกรงหนึ่งมิติที่เปล่งแสงที่พื้นผิวในซิลิคอน (A) และ InP (B) ใน (A) สีเทาและสีน้ำเงินอ่อนแสดงถึงซิลิคอนและซิลิกาตามลำดับ ใน (B) สีแดงและสีส้มแสดงถึง InGaAsP และ InP ตามลำดับ ตัวเลข (C) และ (D) คือภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของตัวเชื่อมต่อตะแกรงคานยื่นแบบแขวน InP

องค์ประกอบสำคัญอีกประการหนึ่งคือตัวแปลงขนาดเฉพาะจุด (SSC) ระหว่างท่อนำคลื่นแสงและไฟเบอร์ซึ่งแปลงโหมดประมาณ 0.5 × 1 µm2 ในท่อนำคลื่นซิลิคอนเป็นโหมดประมาณ 10 × 10 µm2 ในไฟเบอร์ วิธีการทั่วไปคือการใช้โครงสร้างที่เรียกว่า inverse taper ซึ่งท่อนำคลื่นจะค่อยๆ แคบลงจนถึงปลายเล็กๆ ซึ่งส่งผลให้เกิดการขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญของแสงแพทช์โหมด โหมดนี้สามารถจับได้โดยท่อนำคลื่นแก้วแบบแขวน ดังแสดงในรูปที่ 2 ด้วย SSC ดังกล่าว จึงสามารถบรรลุการสูญเสียคัปปลิ้งที่น้อยกว่า 1.5dB ได้อย่างง่ายดาย

รูปที่ 2: ตัวแปลงขนาดรูปแบบสำหรับท่อนำคลื่นลวดซิลิคอน วัสดุซิลิกอนสร้างโครงสร้างทรงกรวยผกผันภายในท่อนำคลื่นแก้วแขวนลอย สารตั้งต้นซิลิกอนถูกแกะสลักออกไปใต้ท่อนำคลื่นแก้วที่แขวนลอย

ส่วนประกอบเชิงรับที่สำคัญคือตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน ตัวอย่างของตัวแยกโพลาไรเซชันแสดงในรูปที่ 3 ตัวอย่างแรกคือ Mach-Zender interferometer (MZI) ซึ่งแต่ละแขนมีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ประการที่สองคือข้อต่อทิศทางแบบธรรมดา รูปร่างของการรีฟริงก์ของท่อนำคลื่นลวดซิลิกอนทั่วไปนั้นสูงมาก ดังนั้นแสงโพลาไรซ์แม่เหล็กตามขวาง (TM) จึงสามารถเชื่อมต่อได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่แสงโพลาไรซ์ทางไฟฟ้าตามขวาง (TE) สามารถแทบจะแยกออกไม่ได้ ประการที่สามคือตัวต่อตะแกรง ซึ่งไฟเบอร์จะถูกวางไว้ที่มุมเพื่อให้แสงโพลาไรซ์ TE ควบคู่กันในทิศทางเดียว และแสงโพลาไรซ์ TM ควบคู่กันในอีกด้านหนึ่ง ที่สี่คือข้อต่อตะแกรงสองมิติ โหมดไฟเบอร์ที่มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายของท่อนำคลื่นจะถูกรวมเข้ากับท่อนำคลื่นที่สอดคล้องกัน ไฟเบอร์สามารถเอียงและต่อเข้ากับท่อนำคลื่นสองตัว หรือตั้งฉากกับพื้นผิวและต่อเข้ากับท่อนำคลื่นสี่ตัว ข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของข้อต่อตะแกรงสองมิติก็คือ พวกมันทำหน้าที่เป็นโรเตเตอร์โพลาไรเซชัน ซึ่งหมายความว่าแสงทั้งหมดบนชิปมีโพลาไรเซชันที่เหมือนกัน แต่โพลาไรซ์สองโพลาไรเซชันมุมฉากถูกใช้ในไฟเบอร์

รูปที่ 3: ตัวแยกโพลาไรซ์หลายตัว