硅光子学:硅波导的设计和原型制作

2017年 9月 19日

1870 年,人们观看了一场水桶表演,舞台上的两个水桶一上一下套在一起。上面的桶开了一个小孔,水可以从中流入下面的桶中,并在这个过程中发生弯曲。令观众惊讶的是,太阳光也随着水一起发生弯曲——这种现象后来被称为“全内反射”。舞台上的表演者是约翰·丁达尔,他是尝试控制光这种最明显能量形式的众多科学家之一。

进入光子时代

几十年来,研究人员一直致力于找到一种控制光的方法,并将其用于信息的传输和处理,这一研究领域称为光子学。与此同时,电子承担了这个角色。近年来,由于光刻法、分子束外延和化学气相沉积等技术的全面发展,科学家已经能够制造出纳米结构器件并控制光的流动。人们预计光包(光子)将成为维持摩尔定律的理想选择。

集成光路的起源

研究人员研究光子学的目标是能够提供一种电子集成芯片的类似物,它可以利用光子执行所有需要的计算过程,同时又节省空间和时间。科研人员将这种技术称为集成光路(photonic integrated circuit,简称 PIC),这种器件可以在一个基板上集成不同的光学元件。原则上,这种芯片应该能够执行各种光学操作,例如聚焦、拆分、隔离、极化、耦合、调制以及(最终)检测光。

标示出不同光学元件的光子集成电路示意图。
集成光路示意图(未按比例绘制),其中展示了不同的光学元件。有关更多信息,请参见参考文献 1。

本篇博客讨论光波导,这是新的硅光子学系列博客的第一篇文章。在此系列后续的博客文章中,我们将思考这些光学元件如何成为 PIC 不可或缺的组成部分。

开发用于 PIC 的光学元件

科研人员对构成全功能 PIC 的不同光学元件进行了研究,确定制造光源的方法是通过激光,激光可以将窄带光源传送到集成芯片组件上。至于光纤,它们可以将光从一端传输到数千米之外的另一端。接下来是 PIC 中最常见的组件:光波导,这种波导可以连接基板上的不同元件。

输入耦合器用来有效地将来自激光器或光纤的光耦合到基板上的光波导,而定向耦合器用来控制两个平行光波导之间光的耦合。随后环形谐振器应运而生,它与滤光器的作用相同(也就是说,仅支持一个窄带的频率),并可以将两个光波导以相反的方向耦合。

 

光学环形谐振腔陷波滤波器的示例。

探索非线性效应

一些科研人员通过研究未得到充分认知的非线性光学效应,设计出二次谐波三次谐波。利用这些波,我们可以在两个光束之间执行运算,比如倍频、差分和混频。

另一项发明是光调制器。这些组件可以利用非线性电光效应基于所施加的直流偏压电位来修改光强。

光子晶体:控制光的流动

从自然界可以观察到,随着高折射率和低折射率材料在一维、二维和三维中的周期性排列,它们有可能反射某一频带,同时允许另一频带通过。因此,这些材料可以在一定的周期性排列中同时充当滤波器和谐振器。不同介质材料的周期性排列称为光子晶体

寻找能传播光的材料

怀着创建光波导以在芯片级封装上传播光的想法,科研人员一直在考虑使用哪种材料。其中一种材料是高折射率的砷化镓,这种材料可用作芯层,并被低折射率的铝砷化镓包围。科研人员还开发了更先进的技术,在铌酸锂基板上涂钛材料来增大其折射率并形成芯层。

科研人员将研究焦点落到硅材料上,硅比其他材料更容易获取。该技术后来称为硅基二氧化硅(Si-SiO2)或硅晶绝缘体(SOI),其中硅(高折射率,约为 3.5)嵌入二氧化硅(低折射率,约为 1.4)中。硅的制造技术已经非常成熟(由电子芯片提供),同时,硅与其他互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor,简称 CMOS)技术兼容,这有助于推动硅光子学技术的研究。

硅波导的不同配置

硅波导的关键在于折射率的高对比度,即相差约 50%。以前的技术依靠全内反射来限制能量,在这种情况下,能量被限制在被低折射率包层包围的高折射率纤芯中。然而,近年来的技术是限制与高折射率板相邻的低折射率狭缝中的能量,这有助于降低损耗。

在高折射率下引导光

第一种技术是将能量限制在高折射率介质中,其内芯(百纳米级)设计为被低折射率包层(二氧化硅)包围的高折射率材料(硅)。折射率差必须高达 50%。

基模被限制在内芯中,如下面的左图所示;被限制的归一化功率如下面的右图所示。

特定工作波长下高折射率材料的基模图。
绘制穿过硅波导中心的归一化功率密度的图。

左:1.55 um 工作波长下的基模。白色和黑色箭头分别表示磁场和电场。右:穿过波导中心的归一化功率密度。

在低折射率下引导光

虽然听起来不合常理,但能量也可能被限制在低折射率介质中。此外,研究还发现,更多的能量停留在均匀且狭窄的区域(20 到 80 nm),这使得低折射率介质更适合与光路集成。

这种设计包含两块高折射率板,位于一个低折射率纳米狭缝的邻近处,相当多的能量被限制在该狭缝中。

50 nm 槽波导中的横向场图。
COMSOL Multiphysics® 中通过波导中心的归一化横向电场图。

左:宽 50 nm 的狭缝的横向(Ex)场。右:穿过波导中心的归一化横向电场(Ex)。

为了分析通过波导传输最大功率所需的纳米狭缝宽度,我们必须执行宽度扫描,如下图所示。

比较槽中归一化功率和强度与槽宽度的绘图。
狭缝中的归一化功率和强度与狭缝宽度的关系。

硅波导的设计和原型制作

制造这样一个光波导原型并对其进行分析需要耗费大量的资源。另一种首选方法是使用数值工具,比如 COMSOL Multiphysics® 软件。借助这一仿真工具,我们可以快速建立原型,并在最终确定要制造的原型之前做进一步的研究。

我们可以使用 COMSOL Multiphysics 对硅波导的二维横截面进行模式分析(高折射率和低折射率两种情况),这样,可以评估波导的有效折射率和基模,从而有助于我们理解归一化功率分布。

我们先建立光波导三维几何结构,并在波导的两端指定数值端口 边界条件,从而实现两种波导的全三维传播,然后可以在这些数值端口上应用边界模式分析 研究(类似于二维模式分析),计算它们的基模。在频域 研究中,基模可用于在波导内传播,如下面的动画所示。

 

长度为 10 um 的硅波导在高折射率限制情况下传播的磁场的 y 分量。

 

长度为 10 um 的硅波导在低折射率限制情况下传播的电场的 y 分量。

关于硅波导的总结

这是“硅光子学”博客系列的第一篇文章,在此系列中,我们将详细讨论各种不同的光学元件,以及如何借助 COMSOL Multiphysics 等有限元分析工具来设计这些元件。在我们从激光腔到光电探测器的探索过程中,我们将走近一些著名的科学家,并讨论他们如何尝试控制光。

敬请关注!

尝试操作

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参考文献

  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.

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