ส่วนประกอบแบบพาสซีฟโฟโตนิกส์ซิลิคอน

ซิลิคอนโฟโตนิกส์ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

ซิลิคอนโฟโตนิกส์มีส่วนประกอบสำคัญแบบพาสซีฟอยู่หลายชิ้น หนึ่งในนั้นคือตัวต่อเกรตติงแบบเปล่งแสงบนพื้นผิว (surface-emitting grating coupler) ดังแสดงในรูปที่ 1A ตัวต่อเกรตติงนี้ประกอบด้วยเกรตติงที่แข็งแรงในท่อนำคลื่น ซึ่งมีคาบประมาณเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นแสงในท่อนำคลื่น ซึ่งทำให้สามารถปล่อยหรือรับแสงในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวได้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดระดับเวเฟอร์และ/หรือการเชื่อมต่อเข้ากับเส้นใยแก้ว ตัวต่อเกรตติงมีความโดดเด่นเฉพาะตัวในซิลิคอนโฟโตนิกส์ตรงที่ต้องการคอนทราสต์ดัชนีแนวตั้งสูง ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามสร้างตัวต่อเกรตติงในท่อนำคลื่น InP ทั่วไป แสงจะรั่วเข้าไปในวัสดุรองรับโดยตรงแทนที่จะถูกปล่อยออกมาในแนวตั้ง เนื่องจากท่อนำคลื่นเกรตติงมีดัชนีหักเหเฉลี่ยต่ำกว่าวัสดุรองรับ เพื่อให้สามารถทำงานได้ใน InP จำเป็นต้องขุดวัสดุใต้เกรตติงเพื่อแขวนไว้ ดังแสดงในรูปที่ 1B

รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อแบบเกรตติงแบบมิติเดียวที่เปล่งแสงบนพื้นผิวในซิลิคอน (A) และ InP (B) ใน (A) สีเทาและสีฟ้าอ่อนแทนซิลิกอนและซิลิกาตามลำดับ ใน (B) สีแดงและสีส้มแทน InGaAsP และ InP ตามลำดับ รูปภาพ (C) และ (D) เป็นภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของตัวเชื่อมต่อแบบเกรตติงคานยื่น InP

ส่วนประกอบสำคัญอีกประการหนึ่งคือตัวแปลงขนาดจุด (SSC) ระหว่างท่อนำคลื่นแสงและเส้นใยแก้ว ซึ่งแปลงโหมดประมาณ 0.5 × 1 μm2 ในท่อนำคลื่นซิลิคอนเป็นโหมดประมาณ 10 × 10 μm2 ในเส้นใยแก้ว วิธีการทั่วไปคือการใช้โครงสร้างที่เรียกว่าเทเปอร์ผกผัน ซึ่งท่อนำคลื่นจะค่อยๆ แคบลงจนเหลือปลายเล็ก ซึ่งส่งผลให้การขยายตัวของออปติคอลโหมดแพทช์ โหมดนี้สามารถจับภาพได้ด้วยท่อนำคลื่นแก้วแขวน ดังแสดงในรูปที่ 2 ด้วย SSC ดังกล่าว การสูญเสียการเชื่อมต่อที่น้อยกว่า 1.5dB สามารถทำได้ง่าย

รูปที่ 2: ตัวแปลงขนาดรูปแบบสำหรับท่อนำคลื่นลวดซิลิคอน วัสดุซิลิคอนสร้างโครงสร้างทรงกรวยผกผันภายในท่อนำคลื่นแก้วที่แขวนลอย แผ่นรองรับซิลิคอนถูกกัดกร่อนใต้ท่อนำคลื่นแก้วที่แขวนลอย

ส่วนประกอบพาสซีฟหลักคือตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน ตัวอย่างตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชันบางส่วนแสดงในรูปที่ 3 ตัวแรกคืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Mach-Zender (MZI) ซึ่งแขนแต่ละข้างมีค่าการหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์ที่ต่างกัน ตัวที่สองคือตัวต่อแบบกำหนดทิศทางอย่างง่าย รูปร่างของท่อนำคลื่นซิลิคอนแบบลวดมีค่าการหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์สูงมาก ทำให้แสงโพลาไรซ์แม่เหล็กตามขวาง (TM) สามารถเชื่อมต่อได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่แสงโพลาไรซ์ไฟฟ้าตามขวาง (TE) สามารถแยกออกจากกันได้เกือบทั้งหมด ตัวที่สามคือตัวต่อแบบเกรตติง ซึ่งวางเส้นใยแก้วในมุมหนึ่งเพื่อให้แสงโพลาไรซ์ TE เชื่อมต่อไปในทิศทางหนึ่ง และแสงโพลาไรซ์ TM เชื่อมต่อไปในทิศทางอื่น ตัวที่สี่คือตัวต่อแบบเกรตติงสองมิติ โหมดเส้นใยแก้วที่มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของท่อนำคลื่นจะเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นที่สอดคล้องกัน เส้นใยแก้วสามารถเอียงและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสองเส้น หรือตั้งฉากกับพื้นผิวและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสี่เส้น ข้อดีเพิ่มเติมของตัวเชื่อมต่อแบบกริดสองมิติคือ ทำหน้าที่เป็นตัวหมุนโพลาไรเซชัน ซึ่งหมายความว่าแสงทั้งหมดบนชิปจะมีโพลาไรเซชันเหมือนกัน แต่ใช้โพลาไรเซชันมุมฉากสองอันในไฟเบอร์

รูปที่ 3: ตัวแยกโพลาไรเซชันหลายตัว