Грант РФФИ 12-07-00018-а (2012-2014)

В статье дается обзор оригинальных результатов, полученных в лаборатории оптических материалов и структур ИФП СО РАН в области кремниевой фотоники и интегральной оптики. Обсуждаются оптические свойства новых оптических фильтров и мультиплексоров, работающих на основе конструктивной интерференции в разветвленных структурах на связанных кремниевых волноводах. Множественные пересечения кремниевых фотонных проволок реализованы посредством вертикальной связи через окисный буферный слой клиновидных волноводов на КНИ с верхним толстым волноводом из полимера. Численное моделирование выполнено на основе комбинации метода конечных разностей во временной области (FDTD) и оригинального воплощения метода эффективного показателя, который на порядок более точно описывает (с 1%-ой ошибкой) в двумерном случае фазовый и групповые индексы кремниевого 3-D волновода.

Предложен и численно изучен новый перестраиваемый оптический мультиплексор, который использует множество связанных кремниевых волноводов на структурах КНИ. Для изучения был предложен модифицированный метод эффективного показателя преломления, который использует комбинированный профиль показателя с двумя пространственными параметрами. Это правильно описывает в двумерном (2D) случае (с ошибкой 1%), как фазовый, так и групповой индексы в 3D волноводах из кремниевых проволок и позволяет моделировать сложные КНИ структуры методом 2D FDTD. Предлагаемый мультиплексор содержит множество пресечений кремневых проволок. Для того чтобы обеспечить незначительное рассеяние, пресечения реализованы посредством вертикальной связи вверх и вниз через буферный слой из окиси кремния клиновидных кремниевых проволок с верхним толстым полимерным волноводов. FDTD моделирование доказывает общую концепцию мультиплексора на КНИ и демонстрирует, что короткая структура длиной 0,26 мм с 32 связанными волноводами имеет спектральное разрешение 1,4 нм, внутренние потери -0,7 дБ и уровень боковых лепестков -20 дБ . Оно обеспечивает перестройку длины волны (без использования принципа нониуса) в пределах свободной спектральной области (FSR) 35 нм на длине световой волны 1550 нм с помощью набора четырех термо-оптических фазовращателей с dТ < 140 C. Устройство длиной 0,7 см обеспечит ширину линии фильтра 0,05 нм. Оно является КМОП-совместимым.

Мы анализируем эффективное пересечение волноводов, пропуская оптический луч над пересекающим кремниевым проволочным волноводом, посредством вертикальной туннельной связи вверх и вниз через кварцевый буферный слой между суживающимся кремниевым волноводом и верхним полосковым волноводом с низким показателем преломления. Мы осуществили процедуру оптимизации данного элемента использую различные методы (BPM, MoL, FDTD), которые делают возможным найти такие комбинации параметров структуры, которые обеспечивают (в спектральном интервале 35 нм в телекоммуникационном диапазоне 1.55 мкм) высокую эффективность пересечения (98 % и выше), одновременно, для прямого прохождения (Поток 1) и для перекрестного направления (Поток 2), имеющего произвольное число (от 1 до 1024) подобных пересечений.

Мы представляем общее описание нового оптического фильтра/мультиплексора, образованного множеством связанные волноводов. Для исследования использовался, модифицированный метод эффективного показателя преломления (MEIM). Это правильно описывает в 2D случае фазовые и групповые индексы в 3D кремниевом проволочном волноводе и позволяет моделировать сложные КНИ структуры использую 2D FDTD. Пересечение кремниевые оптических проволок осуществляется посредством вертикальной туннельной связи вверх и вниз через кварцевый буферный слой между суживающимся кремниевым волноводом и верхним полосковым волноводом с низким показателем преломления. Моделирование FDTD доказывает, что у короткого мультиплексора длиной 0.26 мм с 32 разветвителями обеспечивается свободная спектральная область (FSR) 35 нм, спектральное разрешение 1.4 нм, внутренние потери - 0.7 дБ и уровень боковых лепестков -20 дБ.

Было исследовано распространение сигнала в одномодовой кремниевой проволоке с множественными туннельными отражателями. Рассмотрена интерференция сигналов возникающее при многократных оптических пересечениях в кремниевых оптических микрочипах.

Данная работа предлагает вариант эффективного пересечения кремниевых волноводных фотонных проволок с помощью вертикальной связи (через буферный слой диоксида кремния) на клиновидных областях волновода из Si с верхним широким канальным волноводом на основе полимера SU-8. Численное 3D моделирования по методу FDTD доказывает, что оптимальная структура длиной 70 мкм обеспечивает эффективность пресечения 98% для прямого направления и 99,9% для поперечного направления. При этом обеспечивается незначительное обратное отражение (-50 дБ) и малые перекрестные помехи (-70 дБ). Предложенные волноводные пересечения на тонких структурах кремний-на-изоляторе могут быть изготовлены по КМОП-совместимой технологии и найти широкое применение в области фотоники.

С помощью метода 3D FDTD исследовано эффективное пересечение кремниевых волноводов с помощью вертикальной связи клиновидной области из Si с верхним широким волноводом из полимера SU-8 через буферный слой диоксида кремния. Предлагаемая структура адиабатического трехслойного волноводного пересечения содержит две кремниевые фотонные проволоки с двумя противоположно направленными суживающимися частями, которые изготовлены на толстом слое окисла на кремниевой подложке. Концы клиновидных областей находятся на одной линии на расстоянии Lg = 3 мкм друг от друга. Симметрично между ними располагается аналогичный кремниевый волновод в поперечном направлении (X). Сверху над суживающимся волноводом из Si на буферном окисном слое толщиной Wg = 180 нм располагается (по оси Z) полимерный полосковый волновод (с показателем преломления Nw = 1,56). Мы количественно проанализировали и оптимизировали с помощью метода 3D FDTD прохождение оптической волны через область пресечения таких волноводов. Наши результаты показывают, что на суживающихся областях кремниевых волноводов происходит туннельный переток оптической мощности вверх и вниз между нижним тонким кремневым и верхним толстым полимерным волноводами, и, таким образом, проходит прохождение оптического пучка через пресечение волноводов из Si. Такая структура обеспечивает незначительное отражение по мощности (-50 дБ) и рассеяние в пересекаемый волновод (-70 дБ), а также незначительные потери для сквозного прохождения (<0,1 дБ) и перекрестного направления (<0,002 дБ).

В работе численным моделированием исследуется концепция эффективного волноводного пересечения кремниевых проволок путем туннельного обхода оптическим лучом зоны пересечения. Обход осуществляется за счёт вертикальной туннельной связи излучения в суживающихся (клиновидных) областях фотонной проволоки с верхним полосковым волноводом из полимера SU-8 с низким показателем преломления. В случае кремневого волновода высотой 220 нм и шириной 450 нм оптимальная структура имела следующие параметры: толщина верхнего окисного буферного слоя - 180 нм, длина и узкая часть клиновидной области - 30 мкм и 160 нм, соответственно, высота и ширина полимерного волновода 1,7 мкм и 1,5 мкм, соответственно. На центральной оптической длине волны 1,55 мкм устройство обеспечивает общие внутренние потери около 0,1 дБ для сквозного прохождения: кремниевая проволока - верхний полимер - кремниевая проволока. Показана возможность прохождения света через множество разрывов кремниевых фотонных проволок при умеренном уровне потерь. Для перекрёстного направления оптическая волна проходит по непрерывному кремневому волноводу и чувствует пересекаемые полимерные волноводы только затухающей частью своего электромагнитного поля. Таким образом, обеспечиваются незначительные потери на пересечение и возможность для множества аналогичных пересечений. Для анализа распространения света через множество волноводных пересечений мы проводим двумерное моделирование и используем модифицированный метод линий (MoL) и метод эффективного показателя преломления. Наши результаты были проверены с помощью коммерческого софта на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD). Расчеты показали, что предлагаемая структура обеспечивает пересечение кремниевых проволок с пренебрежимо малыми потерями (<0,002 дБ). Предлагаемые элементы могут найти приложение в устройствах фотоники и интегральной оптики, требующих для работы множественных пересечений световыми микропотоками.

На примере кремниевых фотонных проволок в структуре кремний-на-изоляторе рассмотрена задача пересечения тонких высококонтрастных канальных волноводов. Для обеспечения высокой эффективности прохождения оптической волны при минимальном уровне паразитного рассеяния предлагается использовать структуру на основе вертикальной связи тонкого суживающегося кремниевого волновода и толстого оптического волновода из полимера, разделённых тонким буферным слоем окисла. Методами численного моделирования найдены условия, при которых такая структура (размером 3 × 90 мкм) обеспечивает на длине волны 1.55 мкм эффективность прохождения света на уровне 98% и 99% в телекоммуникационном спектральном интервале шириной 35 и 26 нм соответственно для прямого направления и на уровне 99.99% – для перекрестного направления. Данный оптический элемент предложено использовать в оптических микрочипах с множественными пересечениями канальных световодов.

Multiple optical elements utilize crossing of channel optical waveguides. This paper introduces efficient silicon wire waveguide crossing by means of vertical coupling of tapered Si wire with upper polymer wide strip waveguide through a silica buffer. Numerical simulations by 3D FDTD prove that optimal structure of 70 µm length can provide 98% efficiency for through pass and 99.9% efficiency for cross pass, as well as negligible back reflection (−50 dB) and cross talk (−70 dB). Proposed waveguide crossing on thin silicon-on-insulator CMOS compatible structures could find multiple applications in Photonics.