Im Jahr 1870 sahen Zuschauer, wie eine Bühne mit zwei übereinander stehenden Eimern aufgebaut wurde. Durch ein kleines Loch im oberen Eimer strömte das Wasser in den unteren Eimer und krümmte sich dabei. Zum Erstaunen des Publikums folgte das Sonnenlicht der Krümmung des Wassers – ein Phänomen, das später als innere Totalreflexion bezeichnet wurde. Der Darsteller auf der Bühne, John Tyndall, war einer der vielen Wissenschaftler, die versuchten, die sichtbarste Form der Energie zu kontrollieren: das Licht.
Aufbruch in das Zeitalter der Photonik
Jahrzehntelang suchten Forscher nach einer Möglichkeit, Licht zu kontrollieren und für die Übertragung und Verarbeitung von Informationen zu nutzen, ein Forschungsgebiet, das als Photonik bekannt ist. Zwischenzeitlich übernahmen Elektronen diese Aufgabe. In jüngster Zeit ist es den Wissenschaftlern dank der Entwicklung von Technologien wie der Photolithographie, der Molekularstrahlepitaxie und der chemischen Gasphasenabscheidung gelungen, Bauelemente mit Nanostrukturen herzustellen und den Lichtfluss zu kontrollieren. Lichtpakete (Photonen) wurden als mögliche Kandidaten für die Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes in Betracht gezogen.
Die Anfänge der integrierten photonischen Schaltung
Ziel der Photonik-Forscher war es, ein Analogon eines integrierten elektronischen Chips zu entwickeln, das alle notwendigen Berechnungen mit Hilfe von Photonen durchführen kann und dabei platzsparend und zeiteffizient ist. Die Wissenschaftler nannten diese Technologie Photonic Integrated Circuit (PIC), d.h. Geräte, die verschiedene optische Komponenten auf einem einzigen Substrat integrieren können. Dieser Chip sollte im Prinzip in der Lage sein, verschiedene optische Operationen durchzuführen, wie z. B. Fokussieren, Aufteilen, Isolieren, Polarisieren, Koppeln, Modulieren und (eines Tages) Detektieren von Licht.
Schematische Darstellung des integrierten photonischen Schaltkreises (nicht maßstabsgetreu), die verschiedene optische Komponenten zeigt. Für weitere Informationen siehe Ref. 1.
In diesem Blogbeitrag, dem ersten einer neuen Serie über Silizium-Photonik, werden wir uns mit optischen Wellenleitern beschäftigen. Im weiteren Verlauf der Blogserie werden wir untersuchen, wie diese optischen Komponenten zu einem unverzichtbaren Bestandteil von PICs geworden sind.
Entwicklung von optischen Komponenten für PICs
Die verschiedenen optischen Komponenten, aus denen ein voll funktionsfähiger PIC besteht, waren Gegenstand der Forschung. Die Forscher stellten fest, dass die Lichtquelle mit Hilfe von Lasern erzeugt werden kann, die eine schmalbandige Lichtquelle für das integrierte Chip-Bauteil liefern. Die optischen Fasern konnten das Licht über Tausende von Kilometern von einem Ende zum anderen transportieren. Dann gab es die häufigste Komponente eines PIC: den Lichtwellenleiter. Dieser Wellenleiter konnte verschiedene Bauteile auf dem Substrat miteinander verbinden.
Eingangskoppler wurden entwickelt, um das Licht von Lasern oder optischen Fasern effizient in den auf dem Substrat platzierten Lichtwellenleiter einzukoppeln, während Richtungskoppler entstanden, um die Kopplung von Licht zwischen zwei parallelen Lichtwellenleitern zu steuern. Dann kam der Ringresonator, der den gleichen Zweck wie ein optischer Filter erfüllte (d.h. nur ein schmales Frequenzband zuließ) und zusätzlich zwei Glasfasern in entgegengesetzter Richtung koppeln konnte.
Ein Beispiel für einen Notch-Filter eines optischen Ringresonators.
Nichtlineare Effekte verhandeln
Einige Wissenschaftler haben die viel zu wenig beachteten nichtlinearen optischen Effekte untersucht, um die zweite Harmonische und die dritte Harmonische zu entwickeln. Mit diesen Wellen könnten Operationen zwischen zwei optischen Strahlen wie Frequenzverdopplung, Differenzierung und Mischung durchgeführt werden.
Eine weitere Erfindung waren optische Modulatoren. Diese Bauelemente konnten durch Ausnutzung nichtlinearer elektrooptischer Effekte die Lichtintensität in Abhängigkeit von der angelegten Gleichspannung verändern.
Photonische Kristalle: Den Fluss des Lichts steuern
In der Natur wurde beobachtet, dass die periodische Anordnung von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex in 1D, 2D und 3D es ermöglicht, ein bestimmtes Frequenzband zu reflektieren und ein anderes Frequenzband durchzulassen. Daher können diese Materialien in einer bestimmten periodischen Anordnung sowohl als Filter als auch als Resonator wirken. Die periodische Anordnung verschiedener dielektrischer Materialien wird als photonischer Kristall bezeichnet.
Ein Material für die Lichtausbreitung finden
Mit der Idee, optische Wellenleiter für die Lichtausbreitung auf Chip-Scale-Packages zu schaffen, stellten sich die Wissenschaftler die Frage, welche Materialien sie verwenden sollten. Eines der Materialien war GaAs, das einen hohen Brechungsindex hat. Es wurde als Kern verwendet und von AlGaAs mit niedrigem Brechungsindex umgeben. Es wurden fortgeschrittene Techniken entwickelt, um Titan in das Lithiumniobat-Substrat einzubringen, um den Brechungsindex zu erhöhen und einen Kern zu bilden.
Man konzentrierte sich auf Siliziumdioxid, das leichter verfügbar ist als jedes andere Material. Die Technologie wurde als Siliziumdioxid auf Silizium (Si-SiO2) oder Silizium auf Isolator (Silicon-on-Insulator, SOI) bekannt, wobei Silizium (hoher Brechungsindex von ~3,5) in Siliziumdioxid (niedrigerer Brechungsindex von ~1,4) eingebettet wird. Die Herstellungstechniken für Silizium waren (dank der elektronischen Chips) gut etabliert, und gleichzeitig war Silizium mit anderen CMOS-Techniken kompatibel, was die Forschung im Bereich der Silizium-Photonik vorantrieb.
Verschiedene Konfigurationen von Silizium-Wellenleitern
Der entscheidende Punkt des Silizium-Wellenleiters ist der hohe Kontrast des Brechungsindex, der bei etwa 50 % liegt. Frühere Arbeiten nutzten die interne Totalreflexion, um die Energie einzuschließen. In diesem Fall wurde die Energie in einem Kern mit hohem Brechungsindex eingeschlossen, der von einem Mantel mit niedrigem Brechungsindex umgeben war. In neueren Arbeiten wird die Energie jedoch in einem Schlitz mit niedrigem Brechungsindex eingeschlossen, der von Platten mit hohem Brechungsindex umgeben ist, was zu einer Verringerung der Verluste führt.
Lichtlenkung bei hohem Brechungsindex
Bei der ersten Technik wird die Energie in einem Medium mit höherem Brechungsindex eingeschlossen, wobei der innere Kern (in der Größenordnung von mehreren hundert von Nanometern) aus einem Material mit hohem Brechungsindex (Silizium) besteht, das von einem Mantel mit niedrigem Brechungsindex (Siliziumdioxid) umgeben ist. Der Unterschied im Brechungsindex muss bis zu 50 % betragen.
Die Grundschwingung ist im Kern eingeschlossen, wie in der Abbildung unten links dargestellt, und die eingeschlossene normalisierte Leistung, wie in der Abbildung unten rechts dargestellt.
Links: Die Grundschwingung für eine Betriebswellenlänge von 1,55 um. Die weißen und schwarzen Pfeile stellen das magnetische und elektrische Feld dar. Rechts: Die normalisierte Leistungsdichte durch die Mitte des Wellenleiters.
Lichtlenkung bei niedrigem Brechungsindex
Obwohl dies nicht intuitiv ist, könnte die Energie auch in einem niedrigen Brechungsindex gefangen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass mehr Energie in einem gleichmäßigen und schmalen Bereich (20 bis 80 nm) gefangen bleibt, was einen niedrigen Brechungsindex für die Integration mit photonischen Schaltkreisen besser geeignet macht.
Ein solches Design besteht aus zwei Platten mit hohem Brechungsindex, die an einen Nanospalt mit niedrigem Brechungsindex angrenzen. In diesem Spalt wird viel Energie gespeichert.
Links: Das transversale (Ex) Feld für eine Spaltbreite von 50 nm. Rechts: Das normalisierte transversale elektrische Feld (Ex) durch die Mitte des Wellenleiters.
Um die erforderliche Breite des Nanospalts für eine maximale Leistung durch den Wellenleiter zu analysieren, war es unerlässlich, einen Sweep der Breite durchzuführen, wie unten gezeigt.
Die normalisierte Leistung und Intensität im Spalt gegenüber der Spaltbreite.
Entwurf und Prototyping von Silizium-Wellenleitern
Die Herstellung eines solchen faseroptischen Prototyps und seine anschließende Analyse sind ressourcenintensiv. Ein alternativer und bevorzugter Ansatz ist die Verwendung von numerischen Werkzeugen wie COMSOL Multiphysics®. Mit diesem Simulationswerkzeug können schnell Prototypen erstellt und weitere Untersuchungen durchgeführt werden, bevor der Prototyp für die Fertigung fertiggestellt wird.
Mit COMSOL Multiphysics® können wir eine Schwingungsanalyse für den 2D-Querschnitt des Silizium-Wellenleiters durchführen (sowohl für Fälle mit hohem als auch mit niedrigem Brechungsindex). Dadurch können wir den effektiven Brechungsindex des Wellenleiters und die Grundschwingung bestimmen, was uns hilft, die normalisierte Leistungsverteilung zu verstehen.
Wir implementieren die vollständige 3D-Ausbreitung für beide Wellenleitertypen, indem wir zunächst eine 3D-Geometrie des optischen Wellenleiters erstellen und Numeric Port Randbedingungen an beiden Enden des Wellenleiters zuweisen. Die Boundary Mode Analysis-Studie (ähnlich einer 2D-Schwingungsanalyse) kann auf diese numerischen Ports angewendet werden, um ihre Grundschwingung zu bestimmen. Mit Hilfe der Frequency Domain Studie kann die Grundschwingung für die Ausbreitung innerhalb des Wellenleiters verwendet werden, wie in den folgenden Animationen gezeigt.
Die y-Komponente des sich ausbreitenden H-Feldes im Einschluss-Fall eines Silizium-Wellenleiters mit hohem Brechungsindex und einer Länge von 10 um.
Die y-Komponente des sich ausbreitenden E-Feldes im Einschluss-Fall eines Silizium-Wellenleiters mit niedrigem Brechungsindex und einer Länge von 10 um.
Abschließende Überlegungen zu Silizium-Wellenleitern
Dies ist der erste Beitrag der Blog-Serie Silizium-Photonik, in der wir verschiedene optische Komponenten im Detail betrachten und zeigen, wie ein Finite-Elemente-Analyse-Werkzeug wie COMSOL Multiphysics® bei der Entwicklung dieser Komponenten helfen kann. Auf unserer Reise von Laserresonatoren zu Photodetektoren stellen wir einige faszinierende Wissenschaftler vor und diskutieren, wie sie versucht haben, Licht zu kontrollieren.
Bleiben Sie dran!
Versuchen Sie Es Selbst
Sehen Sie sich diese Tutorial-Modelle zur Silizium-Photonik an:
Aktualisierte Liste der Blogbeiträge in der Silizium-Photonik-Serie
Referenzen
- B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics.
- K. Yamada, “Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications”, in Silicon Photonics II, 2011.
- 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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