Кремниевая фотоника: Разработка кремниевых волноводов

17/09/2017

Кремниевая фотоника: разработка кремниевых оптических волноводных структур Как-то раз в 1870 году зрители внимательно наблюдали за проведением занимательного опыта: две емкости с водой были установлены одна над другой, а из небольшого отверстия в верхней емкости в нижнее ведро лилась струя воды, изгибаясь. Ко всеобщему удивлению, лучи солнечного света изгибались, следуя за изогнутой струей воды. Позднее данный эффект был назван полным внутренним отражением. Джон Тиндалл, проводивший опыт на сцене, в то время был одним из многих ученых, пытавшихся управлять самой наглядной и видимой формой энергии — светом.

На заре эпохи фотоники

Десятилетиями ученые старались найти способ управлять светом и использовать его для передачи и обработки информации, что дало начало направлению физики, сейчас известному как фотоника. Тогда за эту задачу в основном "отвечали" электроны. С недавнего времени ученые успешно создают наноразмерные устройства и управляют потоками света благодаря широкому развитию таких технологий производства структур, как фотолитография, молекулярно-лучевая эпитаксия и химическое осаждение из газовой фазы. Потенциально возможность управлять пучками света (фотонами) позволит и далее "следовать" закону Мура.

Фотонные интегральные схемы

Целью ученых, развивающих фотонику, была разработка аналога электронной микросхемы, который мог бы эффективно выполнять все необходимые вычислительные операции с использованием фотонов, занимая меньше пространства и затрачивая при этом меньше времени. Таким аналогом стали фотонные интегральные схемы (ФИС), к котором относят большую группу устройств с разными оптическими компонентами, размещенными на единой подложке. По сути, данный чип может выполнять различные оптические операции: фокусировку, расщепление, развязку, поляризацию, сопряжение, модуляцию и, в конечном счете, измерение или детектирование световых пучков.

Изображение фотонной интегральной схемы с разными оптическими компонентами, помеченными для наглядности.
Схематическое изображение фотонной интегральной схемы (не в масштабе) с различными оптическими компонентами. Более подробная информация приведена в [1].

В данной заметке нашего корпоративного блога, которая открывает новую серию статей о кремниевой фотонике, мы поговорим про оптические волноводные структуры. В дальнейшем мы обсудим то, как эти оптические компоненты стали неотъемлемой частью ФИС.

Разработка оптических компонентов для фотонных интегральных схем

Разные оптические компоненты, из которых теперь состоит полноценная ФИС, долгое время являлись и до сих пор являются объектом научных исследований. В качестве источника света можно использовать лазеры (lasers), с помощью которых излучением узкого частотного диапазона можно возбуждать интегральные компоненты оптической схемы. Что касается оптических волокон (optical fibers), они могут использоваться для переноса света из одной точки в другую (от одной ФИС к другой) на тысячи километров. Самый распространенный компонент ФИС — это оптический волновод (optical waveguide). Он служит для связи/сопряжения разных компонентов на подложке.

Устройства ввода излучения (input couplers) применяются для эффективного ввода света от лазеров или оптических волокон в оптический волновод, расположенный на подложке, а направленные ответвители (directional couplers) — для управления светом и передачи его между двумя параллельными оптическими волноводами. Кольцевой резонатор (ring resonator) выполняет функцию оптического фильтра (он пропускает только свет в узком частотном диапазоне) и служит для связи двух оптических волноводов, работающих в противоположных направлениях.

 

Пример оптического режекторного фильтра на основе кольцевого резонатора.

Нелинейные эффекты

Некоторые ученые занимаются исследованиями не получивших должного признания нелинейных оптических эффектов для возбуждения гармоник второго и третьего порядка, что может позволить удваивать, вычитать и смешивать частоты двух оптических пучков.

Были также изобретены оптические модуляторы (optical modulators). Эти компоненты позволяют изменять интенсивность света, прикладывая постоянное электрическое напряжение. Их работа основана на нелинейных электрооптических эффектах.

Фотонные кристаллы: управление светом

При периодической укладке материалов с высоким и низким показателем преломления в одном, двух и трех измерениях можно отразить свет определенного частотного диапазона и пропустить свет другого диапазона. Следовательно, такие материалы с определенной периодической структурой могут служить одновременно и фильтром, и резонатором. Периодические структуры разных диэлектрических материалов получили название «фотонные кристаллы» (photonic crystals).

Поиск оптимальных оптических материалов

Отдельного внимание заслуживает поиск того, какие материалы оптимально использовать для создания оптических волноводов, передающих световые пучки на ФИС. Одним из перспективных материалов был арсенид галлия (GaAs), который обладает высоким показателем преломления. Он использовался в качестве сердцевины и был окружен арсенидом алюминия-галлия (AlGaAs) с низким показателем преломления. Были разработаны и более комплексные решения: например, подложку из ниобата лития легировали титаном, чтобы повысить ее показатель преломления и создать сердцевину для волновода.

Но в итоге разработки сфокусировались на оксиде кремния, который является более доступным, чем любой другой материал. Сам технологический процесс получил название «Кремний на изоляторе» (silicon on insulator — SOI): кремний (Si), показатель преломления которого составляет ~3.5, встраивают в оксид кремния (SiO2) с более низким показателем преломления ~1.4. Технологии производства кремния хорошо развиты (благодаря популярности электронных микросхем), а сам кремний, в то же время, совместим с другими КМОП-технологиями, что ускорило развитие кремниевой фотоники.

Различные конфигурации кремниевых волноводов

Принцип работы кремниевого волновода основан на создании разности показателей преломления в сердцевине и оболочке, которая обычно составляет примерно 50%. Изначально для удержания светового пучка использовалось полное внутреннее отражение. В этом случае пучок остается внутри сердечника с более высоким показателем преломления, окруженного оболочкой с меньшим показателем преломления. Однако недавние исследования показали, что можно удерживать пучок внутри материала с меньшим показателем преломления, окруженного пластинами с более высоким показателем преломления. Это позволяет в частности снизить потери.

Оптические волноводы на основе высокого показателя преломления

В соответствии с первой технологией пучок удерживается внутри материала с большим показателем преломления: внутренний сердечник (размерами порядка сотен нанометров) создается из материала с высоким показателем преломления (кремний), который окружен оболочкой с меньшим показателем преломления (оксид кремния). Разность показателей преломления должна составлять не менее 50%.

Основная мода сконцентрирована внутри сердечника, что показано на рисунке ниже (слева). Удерживаемая приведенная энергия показана на этом же рисунке справа.

Распределение поля для основной моды в материале с высоким показателем преломления при определенной рабочей длине волны.
График приведенной плотности энергии в центре кремниевого волновода.

Слева: основная мода для рабочей длины волны 1.55 мкм. Белые и черные стрелки обозначают магнитное и электрическое поля. Справа: плотность приведенной энергии, проходящей через центр волновода.

Оптические волноводы на основе низкого показателя преломления

Это не так очевидно, но энергию можно также удержать внутри материала с низким показателем преломления. Более того, было обнаружено, что можно сконцентрировать больше энергии в равномерном узком зазоре (щели) шириной от 20 до 80 нм, поэтому волноводные структуры на основе материала с низким показателем преломления даже больше подходят для встраивания в фотонные схемы.

Такая конфигурация подразумевает формирование наноразмерной щели с низким показателем преломления между двух пластинок с высоким показателем преломления. Внутри такого зазора удерживается значительное количество энергии.

График поперечного поля в волноводе с
График приведенного поперечного электрического поля в центре кремниевого волновода, построенный в COMSOL Multiphysics®.

Слева: Поперечное поле (Ex-компонента) для щели шириной 50 нм. Справа: приведенное поперечное электрическое поле (Ex-компонента) в центре волновода.

Для оценки оптимальной ширини наноразмерной щели для передачи максимальной энергии по волноводу, можно провести параметрическое исследование по параметру ширины, как показано ниже.

Сравнительный график приведенной энергии и интенсивности в щели в зависимости от ее ширины.
Приведенная энергия и интенсивность в щелевом волноводе в зависимости от ширины зазора.

Разработка кремниевых волноводов

На изготовление прототипа оптического волновода и его анализ требуется большое количество ресурсов. Альтернативный и эффективный подход заключается в использовании численных инструментов, доступных в программном пакете COMSOL Multiphysics®. С помощью численного моделирования можно быстро создать виртуальный прототип и провести дальнейшие исследования, перед тем как перейти к изготовлению реального физического образца.

С помощью COMSOL Multiphysics мы можем провести модальный анализ (mode analysis) в двумерном поперечном сечении кремниевого волновода как для случая с высоким, так и для случая с низким показателем преломления. В рамках такого исследования будет получен эффективный показатель преломления волновода и профиль основной моды, что позволит оценить распределение приведенной энергии.

В качестве примера также можно выполнить полное 3d-моделирование распространения э/м волн для обоих вариаций оптических волноводов. Возбуждение и съем сигнала задается при этом через граничное условие Port с опцией Numeric (Численный порт). Использование этого ГУ подразумевает проведение дополнительного исследования Boundary Mode Analysis (подобного модальному анализу в 2d) для определения основной моды численных портов (константы распространения и профиля). Определив численного фундаментальную моду волновода, можно затем смоделировать распространение волн в волноводе с помощью основного исследования Frequency Domain, некоторые результаты проведения которого показаны на следующих анимациях.

 

Y-компонента магнитного поля в кремниевом волноводе с высоким показателем преломления длиной 10 мкм.

 

Y-компонента электрического поля в кремниевом волноводе с низким показателем преломления длиной 10 мкм.

Резюме

Это первая статья из серии, посвященной кремниевой фотонике. В дальнейшем мы подробно рассмотрим различные оптические компоненты и расскажем о применении пакета COMSOL Multiphysics для моделирования таких устройств (от лазерных резонаторов до фотодетекторов) с помощью метода конечных элементов, а также воздадим дань уважения ряду замечательных ученых, работы которых в настоящее время помогают нам управлять светом.

Следите за публикациями!

Учебные модели

По указанным ниже ссылкам вы можете более подробно познакомиться с некоторыми указанными в статье моделями:

Читайте далее в серии статей о кремниевой фотонике

Список литературы

  1. B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics.
  2. K. Yamada, "Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications", in Silicon Photonics II, 2011.
  3. V. Almeida, Q. Xu, C. Barrios, and M. Lipson, "Guiding and confining light in void nanostructure", Optics Letters, vol. 29, pp. 1209–1211, 2004.

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ