シリコンフォトニクス受動部品

シリコンフォトニクス受動部品

シリコンフォトニクスには、いくつかの重要な受動部品があります。その 1 つが、図 1A に示す面発光グレーティング カプラです。これは、導波路内の光波の波長とほぼ等しい周期を持つ強力なグレーティングが導波路内に設けられています。これにより、光は表面に対して垂直に放射または受光されるため、ウェーハレベルの測定やファイバーへの結合に最適です。グレーティング カプラは、高い垂直屈折率コントラストを必要とする点で、シリコンフォトニクスに特有のものです。たとえば、従来の InP 導波路内にグレーティング カプラを作製しようとすると、グレーティング導波路の平均屈折率が基板よりも低いため、光は垂直に放射されずに直接基板に漏れてしまいます。これを InP で動作させるには、図 1B に示すように、グレーティングの下に材料を掘削してグレーティングを浮かび上がらせる必要があります。

図1：シリコン（A）とInP（B）を用いた面発光型1次元グレーティングカプラ。（A）の灰色と水色はそれぞれシリコンとシリカを表す。（B）の赤色とオレンジ色はそれぞれInGaAsPとInPを表す。図（C）と（D）は、InP製の吊り下げ式カンチレバーグレーティングカプラの走査型電子顕微鏡（SEM）画像である。

もう一つの重要なコンポーネントは、光導波路シリコン導波路内の約0.5 × 1 μm2のモードをファイバー内で約10 × 10 μm2のモードに変換するファイバ。典型的なアプローチは、逆テーパーと呼ばれる構造を用いることで、導波路が徐々に先端に向かって狭くなり、その結果、導波路の波長範囲が大幅に拡大する。光学モードパッチ。このモードは、図2に示すように、吊り下げられたガラス導波管によって捕捉できます。このようなSSCを使用すると、1.5dB未満の結合損失が容易に達成されます。

図2：シリコン細線導波路用パターンサイズ変換器。シリコン材料は、吊り下げられたガラス導波路内部に逆円錐構造を形成している。吊り下げられたガラス導波路の下のシリコン基板はエッチングによって除去されている。

重要な受動部品は偏光ビームスプリッタです。 図 3 に偏光スプリッタの例を示します。 1 つ目はマッハツェンダ干渉計 (MZI) で、各アームの複屈折が異なります。 2 つ目は単純な方向性結合器です。一般的なシリコンワイヤ導波路の形状複屈折は非常に高いため、横方向磁気 (TM) 偏光は完全に結合できますが、横方向電気 (TE) 偏光はほとんど結合されません。 3 つ目はグレーティング結合器で、TE 偏光が一方向に結合され、TM 偏光が他方向に結合されるようにファイバーが角度を付けて配置されます。 4 つ目は 2 次元グレーティング結合器です。 導波路の伝搬方向に対して垂直な電界を持つファイバーモードは、対応する導波路に結合されます。 ファイバーを傾けて 2 つの導波路に結合することも、表面に垂直にして 4 つの導波路に結合することもできます。 2 次元格子カプラのもう 1 つの利点は、偏光回転子として機能することです。つまり、チップ上のすべての光は同じ偏光を持ちますが、ファイバーでは 2 つの直交偏光が使用されます。

図 3: 複数の偏光スプリッター。