ส่วนประกอบแบบพาสซีฟของซิลิคอนโฟโตนิกส์

ซิลิคอนโฟโตนิกส์ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

ในซิลิคอนโฟโตนิกส์มีส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญหลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงเปล่งแสงจากพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 1A ตัวเชื่อมต่อนี้ประกอบด้วยตะแกรงที่แข็งแรงในท่อนำแสง ซึ่งมีคาบประมาณเท่ากับความยาวคลื่นของแสงในท่อนำแสง ทำให้แสงสามารถเปล่งหรือรับได้ในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดระดับเวเฟอร์และ/หรือการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสง ตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงมีความพิเศษเฉพาะตัวในซิลิคอนโฟโตนิกส์ตรงที่ต้องการความแตกต่างของดัชนีหักเหในแนวตั้งสูง ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามสร้างตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงในท่อนำแสง InP แบบดั้งเดิม แสงจะรั่วไหลเข้าไปในวัสดุรองรับโดยตรงแทนที่จะเปล่งออกมาในแนวตั้ง เนื่องจากท่อนำแสงแบบตะแกรงมีดัชนีหักเหเฉลี่ยต่ำกว่าวัสดุรองรับ เพื่อให้ใช้งานได้ใน InP จำเป็นต้องขุดวัสดุใต้ตะแกรงเพื่อยึดไว้ ดังแสดงในรูปที่ 1B

รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงหนึ่งมิติที่เปล่งแสงจากพื้นผิวในซิลิคอน (A) และ InP (B) ใน (A) สีเทาและสีฟ้าอ่อนแทนซิลิคอนและซิลิกาตามลำดับ ใน (B) สีแดงและสีส้มแทน InGaAsP และ InP ตามลำดับ รูปที่ (C) และ (D) เป็นภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ของตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงคานยื่นแขวน InP

ส่วนประกอบสำคัญอีกอย่างหนึ่งคือตัวแปลงขนาดจุด (SSC) ซึ่งอยู่ระหว่างท่อนำแสงเชิงแสงและเส้นใยซึ่งแปลงโหมดขนาดประมาณ 0.5 × 1 μm² ในท่อนำคลื่นซิลิคอนไปเป็นโหมดขนาดประมาณ 10 × 10 μm² ในเส้นใย วิธีการทั่วไปคือการใช้โครงสร้างที่เรียกว่า inverse taper ซึ่งท่อนำคลื่นจะค่อยๆ แคบลงจนถึงปลายเล็กๆ ส่งผลให้เกิดการขยายตัวอย่างมากของออปติคอลโหมดแพทช์ โหมดนี้สามารถจับได้ด้วยท่อนำคลื่นแก้วแบบแขวน ดังแสดงในรูปที่ 2 ด้วย SSC ดังกล่าว การสูญเสียการเชื่อมต่อที่ต่ำกว่า 1.5 dB สามารถทำได้ง่าย

รูปที่ 2: ตัวแปลงขนาดลวดลายสำหรับท่อนำคลื่นแสงแบบลวดซิลิคอน วัสดุซิลิคอนก่อตัวเป็นโครงสร้างทรงกรวยคว่ำอยู่ภายในท่อนำคลื่นแสงแก้วแบบแขวนลอย พื้นผิวซิลิคอนใต้ท่อนำคลื่นแสงแก้วแบบแขวนลอยถูกกัดเซาะออกไปแล้ว

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญคือตัวแยกแสงโพลาไรซ์ ตัวอย่างของตัวแยกแสงโพลาไรซ์แสดงในรูปที่ 3 ตัวอย่างแรกคืออินเตอร์เฟอโรเมตรแบบ Mach-Zender (MZI) ซึ่งแต่ละแขนมีค่าการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ตัวอย่างที่สองคือตัวเชื่อมต่อทิศทางแบบง่าย ค่าการหักเหของแสงตามรูปร่างของท่อนำคลื่นแบบลวดซิลิคอนทั่วไปนั้นสูงมาก ดังนั้นแสงโพลาไรซ์แบบสนามแม่เหล็กตามขวาง (TM) จึงสามารถเชื่อมต่อได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่แสงโพลาไรซ์แบบสนามไฟฟ้าตามขวาง (TE) แทบจะไม่สามารถแยกได้เลย ตัวอย่างที่สามคือตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรง ซึ่งวางเส้นใยไว้ที่มุมหนึ่งเพื่อให้แสงโพลาไรซ์แบบ TE เชื่อมต่อในทิศทางหนึ่งและแสงโพลาไรซ์แบบ TM เชื่อมต่อในอีกทิศทางหนึ่ง ตัวอย่างที่สี่คือตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงสองมิติ โหมดของเส้นใยที่มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของท่อนำคลื่นจะเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นที่สอดคล้องกัน เส้นใยสามารถเอียงและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสองท่อ หรือตั้งฉากกับพื้นผิวและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสี่ท่อได้ ข้อดีเพิ่มเติมของตัวเชื่อมต่อแบบตะแกรงสองมิติคือ มันทำหน้าที่เป็นตัวหมุนโพลาไรเซชัน ซึ่งหมายความว่าแสงทั้งหมดบนชิปจะมีโพลาไรเซชันเดียวกัน แต่จะใช้โพลาไรเซชันตั้งฉากสองแบบในใยแก้วนำแสง

รูปที่ 3: ตัวแยกโพลาไรเซชันหลายตัว