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に示すような表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、導波路内の強力なグレーティングで構成されています。これにより、光を表面に垂直に放射または受光できるため、ウェ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特有のものです。例えば、従来のInP導波路でグレーティングカプラを作ろうとすると、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るのではなく、基板に直接漏れてしまいます。InPで機能させるには、図1Bに示すように、グレーティングの下に材料を掘り込んでグレーティングを吊り下げる必要があります。

図1：シリコン（A）およびInP（B）の表面発光型一次元グレーティングカプラ。（A）では、灰色と水色はそれぞれシリコンとシリカを表す。（B）では、赤とオレンジはそれぞれInGaAsPとInPを表す。図（C）と（D）は、InP懸架型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1つの重要なコンポーネントは、スポットサイズコンバーター（SSC）です。光導波路そして、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の約 10 × 10 μm2 のモードに変換するファイバー。典型的なアプローチは、逆テーパーと呼ばれる構造を使用することです。この構造では、導波路が徐々に狭くなり、先端が小さくなります。これにより、導波路の拡大が大幅に大きくなります。光学モードパッチ。このモードは、図2に示すように、吊り下げ型ガラス導波路によって捕捉することができる。このようなSSCを用いることで、1.5dB未満の結合損失を容易に達成できる。

図2：シリコンワイヤ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。シリコン基板は、吊り下げられたガラス導波路の下側でエッチング除去されている。

重要な受動部品は偏光ビームスプリッタです。偏光スプリッタの例を図3に示します。1つ目はマッハ・ツェンダー干渉計（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、横磁場（TM）偏光は完全に結合できますが、横電場（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カプラで、ファイバーをある角度に配置することで、TE偏光は一方の方向に、TM偏光はもう一方の方向に結合されます。4つ目は2次元グレーティングカプラです。電界が導波路の伝搬方向に垂直な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。二次元グレーティングカプラのもう一つの利点は、偏光回転子として機能することです。つまり、チップ上の光はすべて同じ偏光を持ちますが、光ファイバー内では互いに直交する2つの偏光が使用されます。

図3：複数の偏光スプリッター。