ส่วนประกอบแบบพาสซีฟของโฟโตนิกส์ซิลิกอน

ซิลิกอนโฟโตนิกส์ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

มีส่วนประกอบพาสซีฟหลักหลายส่วนในโฟโตนิกส์ซิลิคอน หนึ่งในนั้นคือคัปเปลอร์แบบปล่อยแสงบนพื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 1A คัปเปลอร์ดังกล่าวประกอบด้วยคัปเปลอร์ที่แข็งแรงในท่อนำคลื่นซึ่งมีคาบประมาณเท่ากับความยาวคลื่นของคลื่นแสงในท่อนำคลื่น ซึ่งทำให้สามารถปล่อยหรือรับแสงในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดระดับเวเฟอร์และ/หรือการจับคู่กับไฟเบอร์ คัปเปลอร์แบบปล่อยแสงมีลักษณะเฉพาะของโฟโตนิกส์ซิลิคอนตรงที่ต้องมีคอนทราสต์ที่มีดัชนีแนวตั้งสูง ตัวอย่างเช่น หากคุณพยายามสร้างคัปเปลอร์แบบปล่อยแสงในท่อนำคลื่น InP ทั่วไป แสงจะรั่วเข้าไปในพื้นผิวโดยตรงแทนที่จะถูกปล่อยออกมาในแนวตั้ง เนื่องจากท่อนำคลื่นแบบปล่อยแสงมีดัชนีการหักเหของแสงเฉลี่ยต่ำกว่าพื้นผิว เพื่อให้ทำงานใน InP ได้ จำเป็นต้องขุดวัสดุใต้คัปเปลอร์เพื่อแขวนไว้ ดังที่แสดงในรูปที่ 1B

รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อตะแกรงแบบแผ่รังสีพื้นผิวแบบมิติเดียวในซิลิกอน (A) และ InP (B) ใน (A) สีเทาและสีฟ้าอ่อนแสดงถึงซิลิกอนและซิลิกาตามลำดับ ใน (B) สีแดงและสีส้มแสดงถึง InGaAsP และ InP ตามลำดับ รูปภาพ (C) และ (D) เป็นภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของตัวเชื่อมต่อตะแกรงแบบคานยื่น InP

ส่วนประกอบสำคัญอีกประการหนึ่งคือตัวแปลงขนาดจุด (SSC) ระหว่างท่อนำคลื่นแสงและไฟเบอร์ซึ่งแปลงโหมดประมาณ 0.5 × 1 μm2 ในท่อนำคลื่นซิลิกอนเป็นโหมดประมาณ 10 × 10 μm2 ในไฟเบอร์ วิธีการทั่วไปคือการใช้โครงสร้างที่เรียกว่าเทเปอร์ย้อนกลับ ซึ่งท่อนำคลื่นจะค่อยๆ แคบลงจนเหลือปลายเล็ก ซึ่งส่งผลให้การขยายตัวของออปติคอลโหมดแพทช์ โหมดนี้สามารถจับภาพได้โดยท่อนำคลื่นแก้วแขวนลอย ดังที่แสดงในรูปที่ 2 ด้วย SSC ดังกล่าว การสูญเสียการเชื่อมต่อที่น้อยกว่า 1.5dB นั้นทำได้อย่างง่ายดาย

รูปที่ 2: ตัวแปลงขนาดรูปแบบสำหรับท่อนำคลื่นลวดซิลิกอน วัสดุซิลิกอนสร้างโครงสร้างกรวยผกผันภายในท่อนำคลื่นแก้วที่แขวนลอย พื้นผิวซิลิกอนถูกกัดกร่อนใต้ท่อนำคลื่นแก้วที่แขวนลอย

ส่วนประกอบพาสซีฟที่สำคัญคือตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชัน ตัวอย่างบางส่วนของตัวแยกลำแสงโพลาไรเซชันแสดงอยู่ในรูปที่ 3 ตัวแรกคือ Mach-Zender interferometer (MZI) ซึ่งแต่ละแขนมีค่าการหักเหแสงแบบคู่กันต่างกัน ตัวที่สองคือตัวต่อแบบทิศทางเดียว ตัวนำคลื่นซิลิกอนแบบลวดมีรูปร่างการหักเหแสงแบบคู่กันสูงมาก ดังนั้นแสงโพลาไรซ์แม่เหล็กตามขวาง (TM) จึงสามารถเชื่อมต่อได้อย่างสมบูรณ์ ในขณะที่แสงโพลาไรซ์ไฟฟ้าตามขวาง (TE) สามารถแยกออกจากกันได้เกือบหมด ตัวที่สามคือตัวต่อแบบกริดติ้ง ซึ่งไฟเบอร์จะถูกวางไว้ในมุมหนึ่งเพื่อให้แสงโพลาไรซ์ TE เชื่อมต่อไปในทิศทางหนึ่งและแสงโพลาไรซ์ TM เชื่อมต่อไปในทิศทางอื่น ตัวที่สี่คือตัวต่อแบบกริดติ้งสองมิติ โหมดไฟเบอร์ที่มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของท่อนำคลื่นจะเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นที่สอดคล้องกัน ไฟเบอร์สามารถเอียงและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสองท่อ หรือตั้งฉากกับพื้นผิวและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นสี่ท่อ ข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของตัวต่อแบบกริดสองมิติคือ ทำหน้าที่เป็นตัวหมุนโพลาไรเซชัน ซึ่งหมายความว่าแสงทั้งหมดบนชิปจะมีโพลาไรเซชันเดียวกัน แต่ในไฟเบอร์จะใช้โพลาไรเซชันตั้งฉากสองอัน

รูปที่ 3: ตัวแยกโพลาไรเซชันหลายตัว