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Jul 07, 2023

Rekonfigurierbare Faser

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 7252 (2022) Diesen Artikel zitieren 2584 Zugriffe 2 Zitate 1 Altmetrische Metrikdetails In der Siliziumphotonik gitterunterstützte Faser-Wellenleiter-Koppler

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7252 (2022) Diesen Artikel zitieren

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2 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In der Siliziumphotonik sorgen gitterunterstützte Faser-Wellenleiter-Koppler für eine Kopplung außerhalb der Ebene, um Tests auf Waferebene zu erleichtern. Ihre begrenzte Bandbreite und Effizienz schränken jedoch ihre Verwendung in Breitbandanwendungen ein. Alternativ überwinden End-Fire-Koppler diese Einschränkungen, erfordern jedoch vor der Verwendung einen Dicing-Prozess, was sie für Tests auf Wafer-Ebene ungeeignet macht. Um diesen Kompromiss anzugehen, wird ein rekonfigurierbares Faser-zu-Wellenleiter-Kopplungsmodul vorgeschlagen und entwickelt, das sowohl eine gitterunterstützte als auch eine Endfeuerkopplung im selben photonischen Schaltkreis ermöglicht. Das vorgeschlagene Modul nutzt einen schaltbaren Richtkoppler, der eine dünne Schicht aus Phasenwechselmaterial enthält, dessen Zustand zunächst amorph ist, um den Koppler zu aktivieren und somit die gitterunterstützte Kopplung für Tests auf Waferebene zu erleichtern. Der Zustand kann durch einen Glühprozess bei niedriger Temperatur in den kristallinen Zustand geändert werden, um den Richtkoppler zu deaktivieren und so eine breitbandige Kopplung auf Chipebene durch End-Fire-Koppler zu ermöglichen. Alle Komponenten, darunter verbundene schaltbare Richtkoppler sowie die Gitter- und Endfeuerkoppler, wurden individuell durch strenge Simulationen entworfen. Anschließend wurden sie zusammengebaut, um das vorgeschlagene rekonfigurierbare Kopplungsmodul zu erstellen, das simuliert und analysiert wurde, um den selektiven Kopplungsvorgang zu validieren. Das vorgeschlagene Modul führt zu einem geringen Überschussverlust von unter 1,2 dB und einem hohen Extinktionsverhältnis von über 13 dB im gesamten C-Band, wenn es entweder mit gitterunterstütztem Eingang oder End-Fire-Eingang betrieben wird. Das vorgeschlagene rekonfigurierbare Kopplungsmodul dürfte eine praktische Lösung sein, um die Inspektion integrierter photonischer Schaltkreise im Wafermaßstab flexibel zu beschleunigen.

Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) für Quantencomputer, Strahllenkung, optische Kommunikation und viele andere Anwendungen wurden im letzten Jahrzehnt umfassend erforscht und entwickelt1,2,3,4,5,6. Aus Sicht der praktischen Inspektion und des Betriebs der photonischen Schaltkreise gelten ein gitterunterstützter Koppler (GAC) und ein Endfeuerkoppler auf Basis eines Spotgrößenkonverters (SSC) hauptsächlich als die allgemein empfohlenen Schemata für die Faser-zu-Wellenleiter-Schaltung Lichtkopplung7,8,9,10,11,12. Die GACs sind in erster Linie für die Kopplung außerhalb der Ebene ausgelegt, während die SSCs für die Endfeuerkopplung in der Ebene geeignet sind7,8. Tests auf Waferebene, die nur mit Hilfe der GACs möglich sind, sind für die Sicherstellung der besten PIC-Ausbeute während der Herstellung unerlässlich. Die begrenzte Bandbreite, die geringere Kopplungseffizienz und die höhere Polarisationsempfindlichkeit machen die GACs jedoch weniger wünschenswert7,9. Andererseits führen die SSCs zu einer hervorragenden Kopplungseffizienz, einer größeren Bandbreite und einer besseren Polarisationstoleranz7,13, erfordern aber zwangsläufig einen zusätzlichen Prozess des Schneidens/Polierens der Chips; Daher sind sie für Tests auf Waferebene ungeeignet. Angesichts der steigenden Nachfrage nach hochintegrierten photonischen Chips und der schnell zunehmenden Größe photonischer Wafer sind Tests auf Waferebene verständlicherweise unverzichtbar geworden, um den Chipentwicklungsprozess zu beschleunigen. In diesem Zusammenhang führt die Wahl zwischen GAC und SSC zu einem Kompromiss zwischen der Fertigungsqualität und der PIC-Benutzerfreundlichkeit. Daher wäre eine Methode, die beide Koppler in den gleichen Schaltkreis integriert, äußerst vorteilhaft für eine bessere Fertigungsqualität und eine breitere Anwendbarkeit.

In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Studien zu Endfeuer- und Gitterkopplern getrennt durchgeführt; Nach unserem besten Wissen gibt es jedoch keine Berichte über Arbeiten über einen integrierten Koppler, der sowohl eine In-Plane-Kopplung unter Verwendung eines End-Fire-Kopplers als auch eine Out-of-Plane-Kopplung unter Verwendung eines GAC im selben Schaltkreis ermöglichen kann. Um GAC und SSC gleichzeitig in denselben Schaltkreis zu integrieren, ist ein Mechanismus erforderlich, der die Ein- und Ausgänge umschaltet. Es ist nicht möglich, die allgemein verfügbaren photonischen Schalter zu verwenden, die auf thermooptischen und elektrooptischen Effekten basieren, da für ihren Betrieb eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist3. Mit dem Aufkommen optischer Phasenwechselmaterialien (PCMs) kann nichtflüchtiges Schalten ohne kontinuierliche Stromversorgung durchgeführt werden14,15,16,17,18. Die Einführung von PCMs ermöglicht die gleichzeitige Integration von GAC und SSC in einen einzigen Schaltkreis und ermöglicht so die Lichtkopplung sowohl auf Wafer- als auch auf Chipebene. Eine von der Y. Zhang-Gruppe veröffentlichte Studie demonstrierte einen transienten Abgriffskoppler, der in der Lage ist, einen kleinen Teil des Lichts aus einem Wellenleiter abzugreifen, der durch Anpassen des Zustands des PCM deaktiviert werden könnte, für wahrscheinliche Anwendungen bei Tests auf Waferebene19. Es ist jedoch darauf beschränkt, nur einen kleinen Teil des Lichts abzugreifen, was keine vollständige Prüfung von Schaltkreisen auf Waferebene ermöglicht. Eine vollständige Charakterisierung, die sich mit einer Eingangs-/Ausgangsleistung und nicht nur mit einem kleinen Teil davon befassen kann, ist von entscheidender Bedeutung, um die Vorteile von Tests auf Waferebene voll ausschöpfen zu können. In diesem Zusammenhang wird dringend nach einem rekonfigurierbaren Kopplungsschema gesucht, das sowohl umfassende Tests auf Wafer- als auch Chip-Ebene ermöglicht, um eine schnelle und flexible Inspektion von PICs in der Produktion durchzuführen.

In diesem Artikel schlagen wir ein rekonfigurierbares Faser-zu-Wellenleiter-Kopplungsmodul (RFWC) vor und entwerfen es, das auf einem PCM-überlagerten schaltbaren Richtungskoppler (SDC) basiert und sowohl eine durch einen SSC vermittelte In-Plane-Kopplung als auch eine Out-of-Plane-Kopplung ermöglicht basierend auf einem GAC im selben photonischen Schaltkreis. Ein Paar PCM-integrierter SDCs wird eingesetzt, um das Licht von diesen beiden unterschiedlichen Kopplern in den Chip hinein und aus ihm heraus zu leiten. Der Zustand des PCM kann zwischen amorphem und kristallinem Zustand und umgekehrt umgeschaltet werden, indem bei einer bestimmten Temperatur und in einer bestimmten Umgebung Wärme oder hochenergetische Lichtimpulse auf den Chip angewendet werden6,15,19,20. Dies führt bei Verwendung mit Richtkopplern zu nichtflüchtigem Schalten. Da der Zustand des PCM in seinem aktuellen Zustand bleibt, es sei denn, sein Zustand wird durch die Anwendung von Wärme oder hochenergetischen Lichtimpulsen geändert6,20, benötigt der Richtkoppler für den Betrieb keine kontinuierliche Wärme-/Stromversorgung. Das vorgeschlagene Kopplungsmodul leitet den Ein-/Ausgang durch die GACs und erleichtert so umfassende Tests auf Waferebene, bis der SDC über die SSCs auf Ein-/Ausgabekopplung umgeschaltet wird, wodurch eine Abfrage auf Chipebene erreicht wird. Es wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass das vorgeschlagene RFWC-Modul verschiedene Arten fortschrittlicher flexibler Kopplungssysteme für die Inspektion von PICs einführt, indem es verschiedene Arten von Abfragesystemen unterstützt.

Eine Darstellung des vorgeschlagenen RFWC-Moduls ist in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus einem Paar PCM-überlagerter schaltbarer Richtkoppler (SDC1 und SDC2), die mit einem Paar GACs (GAC1 und GAC2) und SSCs (SSC1 und SSC2) verbunden sind sowohl Input- als auch Output-Facetten. Die beiden SDCs sind an beiden Enden der Photonikschaltung verbunden, um das selektive Umschalten zwischen den GAC- und SSC-Ein-/Ausgängen zu ermöglichen. Für das vorgeschlagene RFWC-Modul wurde ein gerader Wellenleiter als untersuchter photonischer Schaltkreis in Betracht gezogen, der in zukünftigen Anwendungen durch andere photonische Schaltkreise ersetzt werden könnte. Beide SDCs nutzen eine dünne PCM-Schicht, deren Zustand durch Tieftemperaturglühen in der Nähe von 280 °C von amorph in kristallin und umgekehrt geändert werden kann15,19. Der SDC wird aktiviert, wenn das PCM amorph ist, und deaktiviert, wenn es kristallin ist. Diese SDC-Umschaltung ermöglicht die Aktivierung und Deaktivierung des Ein- und Ausgangs von entweder dem GAC oder dem SSC. In dieser Arbeit wurde Ge2Sb2Se4Te1 (GSST) aufgrund seines geringeren optischen Verlusts sowohl im amorphen als auch im kristallinen Zustand im Vergleich zu anderen PCMs15,19 als PCM-Kandidat ausgewählt. Bei einer Wellenlänge (λ) von 1550 nm weist der amorphe Zustand von GSST (aGSST) einen Brechungsindex von 3,3258 in Verbindung mit einem kleinen Extinktionskoeffizienten von 1,8 × 10−4 auf, während sein kristalliner Zustand (cGSST) einen höheren Brechungsindex aufweist Extinktionskoeffizient von 5,083 bzw. 0,3521. Aufgrund des hohen Indexkontrasts zwischen dem amorphen und dem kristallinen Zustand des PCM können ein wesentlich hohes Ein-Aus-Verhältnis und eine breite Einstellbarkeit erreicht werden17. Da der GSST in seiner ursprünglichen Form im amorphen Zustand verbleibt, ist der SDC so konzipiert, dass er standardmäßig mit der Kombination aus GAC1-Eingang und GAC2-Ausgang arbeitet, was Tests auf Waferebene erleichtern kann. Im amorphen Zustand erfährt der transversal elektrisch (TE) polarisierte Eingang von GAC1 eine Kreuzkopplung über SDC1 in den photonischen Schaltkreis und koppelt über SDC2 zurück an den Ausgang GAC2. In der Zwischenzeit könnte das RFWC-Modul für die End-Fire-Kopplung umkonfiguriert werden, indem der Zustand des GSST in den kristallinen Zustand geändert wird. In diesem Fall kann der TE-Eingang von SSC1 in den photonischen Schaltkreis eintreten und den SSC2-Ausgang verlassen, ohne eine Kreuzkopplung an den SDCs zu durchlaufen. Das Design und die Leistung der Komponenten, aus denen das vorgeschlagene RFWC-Modul besteht, einschließlich SDC, GAC und SSC, werden in den folgenden Abschnitten einzeln besprochen. Schließlich wurde das vorgeschlagene vollständige RFWC-Modul erstellt und sorgfältig evaluiert.

Illustration des vorgeschlagenen RFWC-Moduls. Vom Eingang SSC1 eingespeistes Licht breitet sich durch den photonischen Schaltkreis aus und tritt über den Ausgang SSC2 (angezeigt durch die gelbe Linie) aus, wenn sowohl SDC1 als auch SDC2 deaktiviert sind. Wenn sie aktiviert sind, koppeln SDC1 und SDC2 das Licht über die Eingangs- und Ausgangs-GACs (durch blaue gepunktete Linien markiert) in den photonischen Schaltkreis ein und aus ihm heraus.

Richtkoppler spielen im vorgeschlagenen RFWC-Modul eine wesentliche Rolle, da sie es ermöglichen, dass Licht von verschiedenen Eingangskopplern in den Stromkreis eindringt und anschließend über die jeweiligen Ausgangskoppler austritt. Zu diesem Zweck wurde ein Drei-Wellenleiter-SDC auf Basis einer Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform (SiN, n = ~ 2,0) unter Nutzung einer Siliziumdioxid-Umhüllung (SiO2, n = 1,44) konstruiert. Abbildung 2a zeigt die vorgeschlagene SDC-Struktur, die aus zwei identischen SiN-Streifenwellenleitern (WG1 und WG3) besteht, die durch einen GSST-beladenen WG2 im Kopplungsbereich vermittelt werden und einen Richtkoppler mit drei Wellenleitern bilden. Der Wellenleiter WG2 hat eine Länge von Lc, was für die Kopplungslänge steht, die erforderlich ist, um eine vollständige Leistungsübertragung von WG1 zu WG3 durch den GSST-beladenen WG2 im aGSST-Zustand zu erreichen. Die Ausgänge von WG1 und WG3 beziehen sich auf die Ausgangsanschlüsse OP1 bzw. OP2. Der Querschnitt des Richtkopplers ist in Abb. 2b dargestellt. Die Breiten der Wellenleiter WG1, WG2 und WG3 betrugen w1, w2 bzw. w3. wgsst ist die Breite der auf dem WG2-Wellenleiter platzierten GSST-Schicht, die unter Berücksichtigung praktischer Ausrichtungstoleranzen während der Herstellung 20 nm schmaler als w2 ist. Die Dicken des SiN-Wellenleiters (hwg) und der GSST-Schicht (hgsst) wurden mit 500 bzw. 50 nm bestimmt. Der Abstand (wgap) zwischen den Wellenleitern wurde auf den gleichen Wert eingestellt.

(a) Vorgeschlagener SDC mit zwei identischen Wellenleitern WG1 und WG3, die durch einen GSST-beladenen Wellenleiter WG2 im Kopplungsbereich mit einer Länge Lc vermittelt werden. (b) Querschnittsansicht des SDC mit den angegebenen Strukturparametern.

Die optimalen Parameter für die Breite und den Spalt des SDC wurden durch eine sorgfältige Analyse der effektiven Brechungsindizes seiner Eigenmoden bestimmt. Um den Singlemode-Betrieb für einen 500 nm dicken SiN-Wellenleiter5 sicherzustellen, wurden die w1- und w3-Werte identisch auf 750 nm eingestellt. Abbildung 3a zeigt die TE-Feldverteilung der Supermoden des SDC bei λ = 1550 nm sowohl für den aGSST- als auch den cGSST-Zustand. Es wurde beobachtet, dass der mit aGSST beladene SDC zwei symmetrische Modi und einen asymmetrischen Modus unterstützte, die den effektiven Brechungsindizes von naGSST1, naGSST2 bzw. naGSST3 entsprechen, wie in Abb. 3a-(i) – (iii) dargestellt. Der cGSST-überlagerte SDC könnte einen symmetrischen und asymmetrischen Supermode mit effektiven Indizes von ncGSST1 bzw. ncGSST2 führen, wie in Abb. 3a-(iv) und (v) gezeigt. Die effektiven Indizes der Supermoden für verschiedene w2-Werte sind in Abb. 3b dargestellt. Die maximale Leistungsübertragung von WG1 zu WG3 erfolgt, wenn die effektiven Indizes der Supermoden die Phasenanpassungsbedingung erfüllen, die durch \({\text{n}}_{{{\text{aGSST1}}}} + { \text{n}}_{{{\text{aGSST2}}}} = {\text{2n}}_{{{\text{aGSST3}}}}\)22,23 und erfüllt, wenn w2 = 497 nm für den aGSST-geladenen SDC. Im Fall von cGSST-beladenem SDC waren die effektiven Indizes jedoch invariant zu w2, was zu keiner Phasenanpassungsbedingung führte. Anschließend wurden die Kopplungseigenschaften in Bezug auf die Spaltbreite (wgap) untersucht. Die Kopplungslängen, die zu einer vollständigen Leistungsübertragung zwischen WG1 und WG3 für mit aGSST und cGSST geladene SDCs führen, werden mit LaGSST bzw. LcGSST bezeichnet. Die Kopplungslängen, die aus \({\text{L}}_{{{\text{aGSST}}}} { = }\lambda {\text{/2(n}}_{{{\text {aGSST1}}}} {\text{ - n}}_{{{\text{aGSST3}}}} {)}\) und \({\text{L}}_{{{\text{cGSST} }}} { = }\lambda {\text{/2(n}}_{{{\text{cGSST1}}}} {\text{ - n}}_{{{\text{cGSST2}}}} {)}\)16, wurden bei λ = 1550 nm berechnet; Die Werte von LaGSST und das Verhältnis von LcGSST zu LaGSST sind in Abb. 3c dargestellt. Sowohl die LaGSST- als auch die LcGSST/LaGSST-Werte stiegen mit der Lücke. Ein höherer Wert von LcGSST/LaGSST führt zu einem höheren Extinktionsverhältnis und wird bei einer größeren Lücke erreicht; Allerdings erhöht eine größere Lücke den LaGSST, was einen größeren Geräte-Footprint bedeutet. Im Hinblick auf den Kompromiss zwischen Platzbedarf und Leistung wurde für den vorgeschlagenen Koppler eine Lücke von 600 nm gewählt. Folglich wurde die Kopplungslänge zu Lc = LaGSST = 49,5 µm bestimmt, was zu einer optimalen Leistungsübertragung zwischen WG1 und WG3 im aGSST-Zustand führte. Die erreichte Kopplungslänge ist aus Sicht typischer photonischer Schaltkreise kurz genug; Es wurde festgestellt, dass das Verhältnis von LcGSST/LaGSST etwa 91 beträgt, was angemessen ist, um das optische Schalten zu erleichtern, was zu einem hohen Extinktionsverhältnis führt.

(a) Berechnete Supermode-Profile der SDCs, überlagert mit aGSST (i)–(iii) und cGSST (iv)–(v). (b) Entsprechende effektive Brechungsindizes der Supermoden in Bezug auf die Breite w2. (c) Berechnete Kopplungslänge LaGSST und Verhältnis von LcGSST zu LaGSST in Bezug auf die Lücke (wgap).

Anschließend wurde das SDC unter Verwendung der entworfenen Strukturparameter mit Hilfe eines 3D-Finite-Difference-Time-Domain-Simulationstools (FDTD) modelliert und simuliert. Die Abbildungen 4a und b skizzieren die Lichtausbreitung durch den SDC, wenn dieser aktiviert bzw. deaktiviert ist. Der SDC ist aktiviert, wenn er unter aGSST betrieben wird (gekennzeichnet durch SDCaGSST). Es ermöglicht, dass einfallendes Licht vom Eingangsanschluss (IP) durch den SDC kreuzgekoppelt wird und über den Ausgangsanschluss OP2 austritt. Beim SDC, der unter cGSST arbeitet (bezeichnet mit SDCcGSST), erfährt das Eingangslicht-IP aufgrund mangelnder Phasenanpassung keine Kreuzkopplung und verlässt daher Port OP1. Die Leistung eines Richtkopplers wird normalerweise anhand der Einfügungsdämpfung (IL) und des Extinktionsverhältnisses (ER) charakterisiert. Der IL gibt den Betrag des Verlusts an, der zwischen dem Eingangsport und dem Ziel-Ausgangsport entsteht, während der ER das Verhältnis der über die beiden Ausgangsports übertragenen Ausgangsleistungen ist. Die IL und ER können gemäß \({\text{IL}}_{{\text{aGSST(cGSST)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} { \text{T}}_{{\text{OP2(OP1)}}}\) und \({\text{ER}}_{{\text{aGSST(cGSST)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} {\text{T}}_{{\text{OP2(OP1)}}} {\text{/ T}}_{{\text{OP1(OP2)} }}\), jeweils. Die spektrale Übertragungsantwort des SDCaGSST ist in Abb. 4c dargestellt. Es wurde beobachtet, dass der SDCaGSST einen ILaGSST von nur 0,04 dB und einen ERaGSST von bis zu 28,8 dB bei λ = 1550 nm erreichte. Für den Betrieb im C-Band-Spektrum (λ = 1530 nm–1565 nm) wurde ein ILaGSST von unter 0,3 dB und ein ERaGSST von über 17 dB erhalten. Außerdem ist die spektrale Übertragungsantwort des SDCcGSST in Abb. 4d dargestellt. Der ILcGSST und der ERcGSST betrugen 0,5 bzw. 27 dB bei λ = 1550 nm. Es wurde beobachtet, dass ILcGSST und ERcGSST im gesamten C-Band stabil unter 0,6 dB bzw. über 25 dB blieben. Es ist bemerkenswert, dass die Geräteleistung in Bezug auf IL und ER völlig anfällig für Brechungsindexschwankungen im GSST in Aktion ist. Daher sollte das Umschalten der GSST-Zustände sorgfältig unter bestimmten Bedingungen 19, 21 durchgeführt werden, um so unerwünschte Brechungsindexschwankungen, die durch unvollständige Zustandsumschaltung entstehen, wirksam zu verhindern.

(a) Kopplung von Licht vom Eingangsanschluss IP zum Ausgangsanschluss OP2, wenn der SDC im aGSST-Zustand betrieben wird. (b) Im cGSST-Zustand findet keine Kopplung statt und der Ausgang verlässt OP1. Die spektrale Übertragung der beiden Ports wird für die SDC-aktivierten und deaktivierten Fälle von (c) aGSST bzw. (d) cGSST beobachtet.

Als Machbarkeitsnachweis wurden für die Simulationen des vorgeschlagenen RFWC-Moduls ein GAC und ein SSC zur End-Fire-Kopplung versucht. Wie in Abb. 5a dargestellt, besteht der GAC aus einem Gitterbereich und einer Verjüngung, um einfallendes Licht in Richtung eines 750 nm breiten Eingangswellenleiters zu leiten. Angesichts der grundlegenden TE-Modengröße einer Standard-Singlemode-Faser (SMF-28) wurde der Gitterbereich auf eine Breite von 15 µm eingestellt. Eine lineare adiabatische Verjüngung wurde mit einer Länge von 300 µm entworfen. Die Taperlänge kann durch eine Reihe aneinandergereihter Taper13 verkürzt werden. Da das Gitter eine entscheidende Rolle bei der Lichtkopplung von der Faser zum Wellenleiter spielt, wurden seine Parameter sorgfältig ermittelt. Eine Querschnittsansicht des GAC ist in Abb. 5b dargestellt. Die Gitter wurden durch Einschreiben einer Reihe von Rillen über eine Distanz L1 entsprechend einer Tiefe von dg in einen Streifenwellenleiter mit einer Dicke von hSiN = 500 nm erzeugt. Der Füllfaktor des Gitters ist definiert als das Verhältnis der unbeschriebenen Wellenleiterlänge (L2) zur gesamten Gitterteilung (Λ). Für einen Einfallswinkel (θ) von 13° wird der Gitterabstand unter Verwendung der Bragg-Bedingung auf ungefähr 1,15 µm für den vollständig eingeschriebenen Zustand mit einer Rillentiefe (dg) von 500 nm bei \({\uplambda }_{{\ text{c}}}\) = 1550 nm. FDTD-Simulationen wurden durchgeführt, um die Abhängigkeit der Gesamtkopplungseffizienz von den Strukturparametern zu untersuchen. Die Abbildungen 5c und d zeigen die berechneten Kopplungseffizienzen in Bezug auf die Rillentiefe, den Abstand und den Füllfaktor des GAC. Es wird beobachtet, dass der GAC die maximale Effizienz erreicht, wenn dg, Λ und f 500 nm, 1,14 µm bzw. 0,5 betragen. Da die Dicken der oberen Ummantelung (hUC) und der unteren Ummantelung (hBC) die Kopplungseffizienz beeinflussen, wurden Simulationen durchgeführt, indem hUC und hBC variiert wurden, wie in Abb. 5e bzw. f dargestellt. Die maximale Effizienz wurde für hUC = 3,7 µm und hBC = 2,6 µm erreicht. Der GAC wurde simuliert, um den Durchsatz von der Faser zum Wellenleiter unter Verwendung der angegebenen Parameter zu ermitteln, wie in Abb. 5g dargestellt. Der beobachtete Durchsatz betrug −3,2 dB bei λ = 1550 nm und blieb im gesamten C-Band über −3,9 dB.

(a) Schematische Darstellung des vorgeschlagenen GAC und (b) seine Querschnittsansicht mit den beschrifteten Strukturparametern. (c) Berechnete Kopplungseffizienz in Bezug auf Teilung und Rillentiefe. (d) Kopplungseffizienz abhängig vom Füllfaktor und der Rillentiefe. Kopplungseffizienz als Funktion von (e) der unteren und (f) oberen Verkleidung. (g) Spektrale Kopplungsreaktion unter den angegebenen Designparametern.

Für die Endfeuerkopplung wurde ein SSC vorgeschlagen, um Licht von der Faser zum Wellenleiter zu übertragen. Der SSC enthielt eine mehrstufige Verjüngung, die das geführte Modenprofil des Wellenleiters erweitern konnte, um es an das der Faser anzupassen. Hier wurde der SSC im Einklang mit einer Faser mit ultrahoher numerischer Apertur entwickelt, die einen winzigen Modenfelddurchmesser von ~ 4 µm aufweist und deren Spleißverlust im Vergleich zu einer Standard-Single-Mode-Faser (SMF28) bekanntermaßen nur 0,06 dB beträgt24. Wie in Abb. 6a dargestellt, basiert der SSC auf einem 500 nm dicken mehrstufigen SiN-Konus, der mit einem 750 nm breiten Ausgangswellenleiter verbunden ist. Die Dicken der oberen und unteren Verkleidung wurden entsprechend dem GAC-Design mit 2,6 µm und 3,7 µm gewählt. Was die Verjüngung betrifft, wurde die Modenüberlappung zwischen der grundlegenden TE-Mode der Faser und der der Spitze der Verjüngung geschätzt. Die TE-Modenfeldprofile der Faser und des 200 nm breiten Spitzenwellenleiters sind in Abb. 6b-(i) bzw. (ii) dargestellt. Das Modenüberlappungsintegral25 wurde anhand der Breite der konischen Spitze abgetastet, wie in Abb. 6c dargestellt, was bedeutet, dass eine Spitzenbreite von 200 nm zu einer ungefähren maximalen Überlappung von 0,94 führt. Daher wurde für den SSC eine Spitzenbreite von 200 nm gewählt. Anstatt einen einzelnen adiabatischen Konus zu nutzen, der typischerweise mehrere hundert Mikrometer lang ist, wurde ein verkürzter mehrstufiger Konus verwendet, der auf drei seriell aneinandergereihten Konussegmenten basiert13. Wie in Abb. 6d dargestellt, hat die vorgeschlagene Verjüngung eine Gesamtlänge von 65 µm. Abbildung 6e zeigt die spektrale Reaktion der SSC-Kopplungseffizienz und signalisiert, dass der SSC im gesamten C-Band eine Kopplungseffizienz von besser als –0,5 dB liefern könnte. Um die Toleranz in Bezug auf Würfel- und Polierprozesse während der praktischen Geräteherstellung zu erhöhen, kann der SSC eine kurze Länge eines Wellenleiters mit verlängerter Spitze nutzen, dessen Breite in der Nähe von 200 nm liegt, wie in unserer vorherigen Arbeit gezeigt13.

(a) Vorgeschlagener Endfeuerkoppler basierend auf einem SSC mit einer mehrstufigen Verjüngung. Berechnete geführte Modenprofile der (b)–(i) Faser mit hoher numerischer Apertur und (b)–(ii) der Verjüngung, die mit einer 200 nm breiten Spitze endet. (c) Berechnete Modenüberlappungen zwischen der Faser und der Verjüngungsspitze im Hinblick auf die Spitzenbreite. (d) Entworfener mehrstufiger Konus, bestehend aus drei seriell verketteten Segmenten und (e) spektrale Kopplungseffizienz des Endfeuerkopplers basierend auf dem entworfenen Konus.

Als die entworfenen Grundelemente vorbereitet wurden, wurde der Betrieb des gesamten RFWC-Moduls durch strenge Simulationen überprüft. Zunächst wurde ein verbundener schaltbarer Richtkoppler (C-SDC) entwickelt, um das Schalten sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite zu erleichtern. Zweitens wurden die komplexen Amplitudenreflexions- und Transmissionskoeffizienten (S-Parameter) in Bezug auf die konstituierenden Elemente, einschließlich GAC, SSC und C-SDCs, extrahiert, um ihre Modelle zu entwickeln, die zur Erstellung des gesamten RFWC-Moduls zusammengestellt wurden.

Wie in Abb. 7a dargestellt, besteht der vorgeschlagene C-SDC aus zwei SDCs (SDC1 und SDC2), die an beide Enden des photonischen Schaltkreises angeschlossen sind und eine rekonfigurierbare Eingangs-/Ausgangskopplung zum und vom Schaltkreis ermöglichen. In dieser Arbeit fungiert ein gerader Wellenleiter als photonischer Schaltkreis. Wenn der Status von GSST, der zu beiden SDCs gehört, aGSST ist, ist der C-SDC aktiviert, wodurch das Eingangslicht vom IP2-Port über SDC1 in den Schaltkreis eingekoppelt werden kann, der anschließend über SDC2 gekoppelt wird und über den OP2-Port austritt, wie gezeigt in Abb. 7b. In der Zwischenzeit ist der C-SDC deaktiviert, wenn sich beide SDCs im cGSST-Zustand befinden, wodurch das Eingangslicht vom IP1-Port durch den photonischen Schaltkreis geleitet wird, ohne dass es zu einer Kreuzkopplung an SDC1 oder SDC2 kommt, und das Licht schließlich aus OP1 austritt Anschluss, wie in Abb. 7c gezeigt. Vollständige Simulationen wurden mithilfe eines 3D-FDTD-Schemas durchgeführt, um die Feldausbreitungsprofile und -effizienzen zu untersuchen. Die Feldausbreitungsprofile für die Fälle, in denen der C-SDC aktiviert und deaktiviert war, sind in Abb. 7d bzw. e dargestellt. Die Profile bestätigen den Funktionsmechanismus des C-SDC, wie in Abb. 7b, c dargestellt. Die spektrale Reaktion der an die Ports OP1 und OP2 übertragenen Ausgangsleistung bei aktiviertem C-SDC ist in Abb. 7f dargestellt. Die Gesamt-IL des C-SDC beträgt beim Durchlaufen beider SDCs im gesamten C-Band weniger als 0,6 dB. Der ER für den C-SDC-fähigen Fall beträgt bis zu 26 dB bei λ = 1550 nm und über 17 dB im gesamten C-Band-Betrieb. Wenn das C-SDS deaktiviert ist, liegt der IL-Wert ebenfalls unter 1,2 dB und der ER über 24 dB, wie in Abb. 7g dargestellt. Zur weiteren Bewertung des vorgeschlagenen RFWC-Moduls wurden die Leistungsparameter in Form von S-Parametern exportiert.

(a) Schematische Darstellung des vorgeschlagenen C-SDC, bei dem sowohl SDC1 als auch SDC2 über einen photonischen Schaltkreis miteinander verbunden sind. Der Betrieb des C-SDC (b) im aGSST-Zustand, in dem Eingangslicht von IP2 über SDC1 an den photonischen Schaltkreis gekoppelt wird und über SDC2 wieder an OP2 gekoppelt wird, und (c) im cGSST-Zustand, in dem Licht von IP1 keiner durch SDC1 induzierten Kreuzkopplung unterliegt und SDC2, schließlich wird OP1 verlassen. Optische Kopplungseigenschaften unter (d) aGSST- und (e) cGSST-Zuständen. Die Transmissionsspektren von TOP1 und TOP2, wie sie an den OP1- und OP2-Ports für die Fälle von C-SDC beobachtet wurden, überlagert mit (f) aGSST bzw. (g) cGSST.

Um den Betrieb des vorgeschlagenen RFWC-Moduls zu validieren, das die Gitter-/SSC-Koppler auf dem C-SDC nutzt, wurden Simulationen mit dem Lumerical Interconnect-Tool durchgeführt, das häufig für vollständige Simulationen photonischer Schaltkreise verwendet wird. Die S-Parameter-Modelle der konstituierenden Elemente wurden abgeleitet und dann miteinander verbunden, um das vorgeschlagene RFWC-Modul zu erstellen, wie in Abb. 8a dargestellt. Hier ist ein optischer Netzwerkanalysator mit einer Lichtquelle (S1) zur Einspeisung von Licht in den Schaltkreis sowie zwei Monitoren (M1 und M2) zur Analyse des Ausgangssignals des Schaltkreises ausgestattet. Die Umschalttaste ist eine repräsentative Einheit, die während ihrer Simulationen lediglich Licht von S1 zum Eingang GAC1 oder SSC1 überträgt und nicht zum vorgeschlagenen RFWC-Modul gehört. Wenn der C-SDC aktiviert ist, ermöglicht die Umschalttaste, dass das Eingangslicht über GAC1 auf den C-SDC trifft. Das Eingangslicht breitet sich dann durch den photonischen Schaltkreis im C-SDC aus und tritt schließlich über GAC2 aus. Für den Fall, dass das C-SDC deaktiviert ist, wird das Eingangslicht über SSC1 in das C-SDC geleitet und verlässt es schließlich über SSC2. In beiden Fällen, in denen der C-SDC aktiviert und deaktiviert ist, wird das durch SSC2 und GAC2 ausgegebene Licht aufgezeichnet, um den ER abzuschätzen. Es ist bemerkenswert, dass die S-Parameter-Modelle, die aGSST und cGSST entsprechen, auf die Fälle angewendet wurden, in denen der C-SDC aktiviert bzw. deaktiviert war.

(a) Schematischer Aufbau, der ein komplettes RFWC-Modul in Simulation darstellt, in dem alle Funktionsblöcke einschließlich der vorgeschlagenen GACs, SSCs und C-SDC eingesetzt werden. Zur Überwachung der spektralen Übertragung der Schaltung wird ein optischer Netzwerkanalysator mit einer Lichtquelle (S1) und zwei Leistungsüberwachungsanschlüssen (M1 und M2) verwendet. (b) Berechnete IL-Spektren unter Verwendung der an den Monitoren M1 und M2 aufgezeichneten Sendeleistung für beide Fälle, in denen C-SDC aktiviert und deaktiviert ist. (c) Berechnete ERs der Schaltung, wie an M1 und M2 des Analysators beobachtet, für den C-SDC-aktivierten Fall mit Ein-/Ausgabe über die GACs und den Fall deaktivierten C-SDC mit Ein-/Ausgabe über die SSCs.

Der Betrieb des RFWC-Moduls wurde auch im Hinblick auf IL und ER untersucht. Der IL bezieht sich auf die Höhe des Leistungsverlusts, der durch das Kopplungsmodul verursacht wird, und erklärt den Verlust, der sowohl durch die Eingangs- als auch durch die Ausgangskoppler (entweder die GACs oder SSCs) verursacht wird, zusammen mit dem IL des C-SDC. Der ER ist relevant für die Leistung, die an den Ausgang SSC2 abgegeben wurde, als der C-SDC aktiviert war, und an GAC2, als der C-SDC deaktiviert war. Die Gesamt-IL und ER des RFWC-Moduls wurden gemäß \({\text{IL}}_{{\text{CSDC – aktiviert (CSDC – deaktiviert)}}} {\text{ = 10 log}}_{ berechnet. {{10}}} {\text{ T}}_{{\text{GAC2(SSC2)}}}\) und \({\text{ER}}_{{\text{CSDC - aktiviert (CSDC - deaktiviert)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} {\text{ T}}_{{\text{GAC2(SSC2)}}} {\text{/ T}} _{{\text{SSC2(GAC2)}}}\). Hier stellen TGAC2 und TSSC2 die Ausgangsleistungen dar, die über GAC2 bzw. SSC2 an den Netzwerkanalysator übertragen werden. Die aus der Analyse des RFWC-Moduls resultierenden IL-Werte sind in Abb. 8b dargestellt. Für die Schaltung, in der der C-SDC deaktiviert ist und die Ein- und Ausgänge über SSCs erfolgen, beträgt die gesamte ILCSDC-Deaktivierung im gesamten C-Band weniger als 2,1 dB. Wenn der C-SDC aktiviert ist und die Lichteingabe/-ausgabe über die GACs erfolgt, liegt der gesamte ILCSDC-aktivierte Wert im gesamten relevanten Wellenlängenbereich unter 7,8 dB. Es wird erwähnt, dass der Verlust durch die Einführung eines apodisierten oder mehrschichtigen GAC10 unterdrückt werden kann. Die praktische Implementierung der auf einem C-SDC basierenden GACs könnte durch Fabry-Perot-Resonanzen zwischen der Gitterregion und dem Wellenleiterende in der Kopplungsregion unerwünscht beeinträchtigt werden. Wenn man jedoch bedenkt, dass das vorgeschlagene Modul flexible Schemata von GACs aufnehmen kann, wird erwartet, dass das Resonanzproblem durch die Nutzung fokussierender GACs gemildert werden kann, von denen man annimmt, dass sie eine reduzierte Rückreflexion aufweisen12.

Es wurde beobachtet, dass das vorgeschlagene Kopplungsmodul sowohl für C-SDC-fähige als auch für deaktivierte Fälle ein angemessenes ER-Niveau aufweist. Im gesamten C-Band lagen die ERCSDC-aktivierten und die ERCSDC-deaktivierten Signale konstant über 13 bzw. 27 dB, wie in Abb. 8c dargestellt. Obwohl der C-SDC hauptsächlich für das ER verantwortlich ist, wird die Diskrepanz im ER zwischen dem RFWC-Modul und C-SDC allein auf die unterschiedlichen Kopplungseffizienzen von GAC und SSC für die RFWC-Modulsimulation zurückgeführt. Es ist zu beachten, dass es für das ER des C-SDC allein keine Eingangs- und Ausgangskoppler gibt, was zu keinem Kopplungsverlust führt; Daher ist die Notaufnahme ausschließlich von den DEZA betroffen. Dieser Fall gilt jedoch nicht für das RFWC-Modul, bei dem ein GAC und ein SSC einen gewissen Kopplungsverlust verursachen. Diese ER-Diskrepanz zwischen dem C-SDC- und dem RFWC-Modul kann durch die Implementierung von GACs verringert werden, die eine Kopplungseffizienz bieten könnten, die der des SSC gleichwertig ist. Dennoch sind ER und IL des vorgeschlagenen RFWC für praktische Anwendungen in Richtung photonischer integrierter Schaltkreise sinnvoll. Basierend auf den ILs der Eingangs- und Ausgangs-SSC und GACs lag der zusätzliche Verlust im Zusammenhang mit dem RFWC unter 0,4 bzw. 1,2 dB, wenn der C-SDC aktiviert bzw. deaktiviert war. Daher wird mit hoher Wahrscheinlichkeit erwartet, dass das vorgeschlagene RFWC-Modul in verschiedenen photonischen Schaltkreisen eingesetzt wird und eine entscheidende Rolle bei der gleichzeitigen Unterbringung von GACs und End-Fire-SSCs spielt.

Es wird ein RFWC-Modul vorgeschlagen und demonstriert, das es sowohl dem GAC als auch dem SSC ermöglicht, denselben photonischen Schaltkreis abzufragen. Das vorgeschlagene Modul ermöglicht das selektive Schalten zwischen den GAC- und SSC-Ein-/Ausgängen, indem es die nichtflüchtige Schaltfähigkeit des GSST-basierten Richtkopplers nutzt. Wenn man bedenkt, dass der GSST-Zustand durch Tieftemperaturglühen unter bestimmten Umgebungsbedingungen von amorph zu kristallin hin und her geschaltet werden kann,19 können die Ein- und Ausgänge vom GAC zum SSC und umgekehrt hin und her geschaltet werden, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist während des Betriebs der Schaltung. Diese Flexibilität bei der Wahl des Eingangs- und Ausgangskopplers ermöglicht nicht nur umfassende Tests auf Waferebene über den GAC, sondern auch verlustarme und breitbandige Anwendungen auf Chipebene, wenn die Chips aus dem Wafer herausgeschnitten werden. In Anbetracht seines minimalen überschüssigen Verlusts unter 1,2 dB und ordentlicher ERs über 13 dB beim Betrieb unter beiden GSST-Zuständen wird behauptet, dass das vorgeschlagene RFWC-Modul auf praktische photonische Schaltkreise angewendet werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Obwohl die aktuelle Demonstration auf einer SiN-Plattform in Kombination mit einem PCM von GSST basiert, kann das vorgeschlagene Modul problemlos auf andere Arten von Plattformen und PCMs zugeschnitten werden14,16. Das RFWC-Modul soll als Sprungbrett dienen, um den bestehenden Kompromiss zwischen umfassenden Tests auf Waferebene und hocheffizienter Breitbandkopplung auf Chipebene zu lösen und Wege für die Entwicklung verschiedener hybrider photonischer Schaltkreise auf Basis von PCMs zu ebnen.

Wir haben einen Finite-Differenzen-Eigenmode-Löser (FDE) [Ansys Inc.] verwendet, um die effektiven Brechungsindizes und Feldprofile der Richtkoppler-Supermoden aufzudecken. Der FDE-Löser berechnet die Modenfeldprofile, ihre effektiven Brechungsindizes, Gruppenindizes und optischen Verluste, indem er die Maxwell-Gleichung über die vermaschten Querschnitte der Wellenleiter löst. Zur Bestimmung der Kegellängen und zur Berechnung der Kopplungseffizienz des Endfeuerkopplers wurde ein dreidimensionaler Eigenmodenexpansionslöser (EME) von Ansys Inc. eingesetzt. Die restlichen Simulationen basierten auf dem dreidimensionalen vollvektoriellen FDTD-Löser. Für jedes der Elemente wurden die S-Parameter exportiert, die zum Aufbau des gesamten Moduls verwendet wurden. Wir haben auch auf ein Tool namens Lumerical Interconnect zurückgegriffen, um die vollständigen Schaltungssimulationen durchzuführen und die Leistung des vorgeschlagenen rekonfigurierbaren Kopplermoduls zu bewerten. Für die Simulationen wurden die Brechungsindizes von SiN und SiO2 mit 2,0 bzw. 1,44 bei einer Wellenlänge um 1550 nm angenommen. Die komplexen Brechungsindizes sowohl des amorphen als auch des kristallinen GSST wurden aus den Dispersionseigenschaften basierend auf der experimentellen Arbeit von Zhang et al.21 abgeleitet.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, das 2022 vom Bildungsministerium (2018R1A6A1A03025242), dem Ministerium für Wissenschaft und IKT (MIST) (2020R1A2C3007007) und der Kwangwoon-Universität finanziert wurde.

Abteilung für Elektrotechnik, Kwangwoon University, Seoul, 01897, Südkorea

Bishal Bhandari & Sang-Shin Lee

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BB konzipierte die Idee, führte die numerischen Simulationen durch und diskutierte die Ergebnisse. SSL leitete die Ergebnisanalyse und Dateninterpretation und überwachte die gesamte Arbeit. Beide Autoren waren an der Erstellung des Manuskripts beteiligt.

Korrespondenz mit Sang-Shin Lee.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bhandari, B., Lee, SS. Rekonfigurierbares Faser-Wellenleiter-Kopplungsmodul, ermöglicht durch schaltbare Richtungskoppler mit integriertem Phasenwechselmaterial. Sci Rep 12, 7252 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11386-3

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Eingegangen: 05. März 2022

Angenommen: 20. April 2022

Veröffentlicht: 04. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11386-3

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