Các thành phần thụ động quang tử silicon

Quang tử siliconthành phần thụ động

Có một số thành phần thụ động quan trọng trong quang tử silicon. Một trong số đó là bộ ghép lưới phát xạ bề mặt, như trong Hình 1A. Nó bao gồm một cách tử mạnh trong ống dẫn sóng có chu kỳ xấp xỉ bằng bước sóng của sóng ánh sáng trong ống dẫn sóng. Điều này cho phép ánh sáng được phát ra hoặc nhận vuông góc với bề mặt, khiến nó trở nên lý tưởng cho các phép đo ở mức tấm bán dẫn và/hoặc ghép nối với sợi quang. Bộ ghép lưới có phần đặc biệt đối với quang tử silicon ở chỗ chúng yêu cầu độ tương phản chỉ số dọc cao. Ví dụ: nếu bạn cố gắng tạo một bộ ghép cách tử trong ống dẫn sóng InP thông thường, ánh sáng sẽ rò trực tiếp vào chất nền thay vì phát ra theo phương thẳng đứng vì ống dẫn sóng cách tử có chiết suất trung bình thấp hơn chất nền. Để làm cho nó hoạt động trong InP, vật liệu phải được đào bên dưới lưới để treo nó, như trong Hình 1B.

Hình 1: Bộ ghép cách tử một chiều phát ra bề mặt bằng silicon (A) và InP (B). Trong (A), màu xám và xanh nhạt tương ứng là silicon và silica. Trong (B), màu đỏ và màu cam tương ứng là InGaAsP và InP. Hình (C) và (D) là hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của khớp nối cách tử đúc hẫng treo InP.

Một thành phần quan trọng khác là bộ chuyển đổi kích thước điểm (SSC) giữaống dẫn sóng quangvà sợi quang, chuyển đổi chế độ khoảng 0,5 × 1 μm2 trong ống dẫn sóng silicon sang chế độ khoảng 10 × 10 μm2 trong sợi. Một cách tiếp cận điển hình là sử dụng một cấu trúc gọi là độ côn nghịch đảo, trong đó ống dẫn sóng thu hẹp dần đến một đầu nhỏ, dẫn đến sự mở rộng đáng kể củaquang họcbản vá chế độ. Chế độ này có thể được ghi lại bằng ống dẫn sóng thủy tinh treo, như trong Hình 2. Với SSC như vậy, có thể dễ dàng đạt được tổn thất ghép nhỏ hơn 1,5dB.

Hình 2: Bộ chuyển đổi kích thước mẫu cho ống dẫn sóng dây silicon. Vật liệu silicon tạo thành cấu trúc hình nón ngược bên trong ống dẫn sóng thủy tinh treo. Chất nền silicon đã được khắc sâu bên dưới ống dẫn sóng thủy tinh treo.

Thành phần thụ động chính là bộ tách chùm phân cực. Một số ví dụ về bộ tách phân cực được trình bày trong Hình 3. Đầu tiên là giao thoa kế Mach-Zender (MZI), trong đó mỗi nhánh có độ lưỡng chiết khác nhau. Thứ hai là một khớp nối định hướng đơn giản. Độ lưỡng chiết hình dạng của ống dẫn sóng dây silicon điển hình là rất cao, do đó ánh sáng phân cực từ ngang (TM) có thể được ghép hoàn toàn, trong khi ánh sáng phân cực điện ngang (TE) có thể gần như tách rời. Thứ ba là một bộ ghép cách tử, trong đó sợi quang được đặt ở một góc sao cho ánh sáng phân cực TE được ghép theo một hướng và ánh sáng phân cực TM được ghép theo hướng kia. Thứ tư là khớp nối lưới hai chiều. Các chế độ sợi có điện trường vuông góc với hướng truyền của ống dẫn sóng được ghép với ống dẫn sóng tương ứng. Sợi có thể nghiêng và ghép với hai ống dẫn sóng hoặc vuông góc với bề mặt và ghép với bốn ống dẫn sóng. Một ưu điểm nữa của các bộ ghép cách tử hai chiều là chúng hoạt động như các bộ quay phân cực, nghĩa là tất cả ánh sáng trên chip đều có cùng độ phân cực, nhưng hai phép phân cực trực giao được sử dụng trong sợi quang.

Hình 3: Bộ chia nhiều phân cực.