Các linh kiện thụ động quang tử silicon

Quang tử siliconcác thành phần thụ động

Trong quang tử silicon, có một số thành phần thụ động quan trọng. Một trong số đó là bộ ghép grating phát xạ bề mặt, như thể hiện trong Hình 1A. Nó bao gồm một grating 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 thu nhận vuông góc với bề mặt, lý tưởng cho các phép đo ở cấp độ wafer và/hoặc ghép nối với sợi quang. Bộ ghép grating có phần độc đáo trong quang tử silicon ở chỗ chúng yêu cầu độ tương phản chiết suất theo chiều dọc cao. Ví dụ, nếu bạn cố gắng tạo một bộ ghép grating trong ống dẫn sóng InP thông thường, ánh sáng sẽ rò rỉ trực tiếp vào chất nền thay vì được phát ra theo chiều dọc vì ống dẫn sóng grating có chiết suất trung bình thấp hơn chất nền. Để làm cho nó hoạt động trong InP, vật liệu phải được khoét bên dưới grating để treo nó, như thể hiện trong Hình 1B.

Hình 1: Bộ ghép nối lưới một chiều phát xạ bề mặt trong silicon (A) và InP (B). Trong (A), màu xám và xanh nhạt lần lượt đại diện cho silicon và silica. Trong (B), màu đỏ và cam lần lượt đại diện cho InGaAsP và InP. Hình (C) và (D) là ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM) của bộ ghép nối lưới dạng thanh đỡ treo bằng InP.

Một thành phần quan trọng khác là bộ chuyển đổi kích thước điểm (SSC) giữa...ống dẫn sóng quang họcvà sợi quang, chuyển đổi một mode có kích thước khoảng 0,5 × 1 μm² trong ống dẫn sóng silicon thành một mode có kích thước khoảng 10 × 10 μm² trong sợi quang. Một phương pháp điển hình là sử dụng cấu trúc gọi là hình nón ngược, trong đó ống dẫn sóng thu hẹp dần đến một đầu nhỏ, dẫn đến sự mở rộng đáng kể của...quang họcchế độ vá. Chế độ này có thể được thu nhận bằng một ống dẫn sóng thủy tinh treo, như thể hiện trong Hình 2. Với SSC như vậy, tổn hao ghép nối nhỏ hơn 1,5dB dễ dàng đạt được.

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. Lớp nền silicon đã được khắc bỏ bên dưới ống dẫn sóng thủy tinh treo.

Thành phần thụ động quan trọng là bộ tách chùm tia phân cực. Một số ví dụ về bộ tách phân cực được thể hiện 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 bộ ghép định hướng đơn giản. Độ lưỡng chiết hình dạng của ống dẫn sóng silicon điển hình 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) hầu như không được ghép. Thứ ba là bộ ghép lưới, 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 khác. Thứ tư là bộ ghép lưới hai chiều. Các mode sợi quang có điện trường vuông góc với hướng truyền của ống dẫn sóng được ghép với ống dẫn sóng tương ứng. Sợi quang có thể được nghiêng và ghép với hai ống dẫn sóng, hoặc vuông góc với bề mặt và ghép với bốn ống dẫn sóng. Một ưu điểm khác của bộ ghép lưới hai chiều là chúng hoạt động như bộ xoay phân cực, có nghĩa là tất cả ánh sáng trên chip đều có cùng phân cực, nhưng hai phân cực vuông góc được sử dụng trong sợi quang.

Hình 3: Bộ tách phân cực đa điểm.