Tuneable Coupling Structures for Integrated Silicon Photonics
Final Report Abstract
Gitterkoppler sind als Schnittstelle zwischen Chip und Glasfaser in der Siliziumphotonik inzwischen etabliert und weit verbreitet im Einsatz. Ein Nachteil der Gitterkoppler ist die Wellenlängenabhängigkeit der Koppeleffizienz und die damit verbundene begrenzte optische Bandbreite. Zusätzlich ist die Wellenlänge mit maximaler Koppeleffizienz vom Anstellwinkel der Glasfaser abhängig. Bei Modulen mit fest verklebten Fasern ist deren Einsatzbereich daher auf eine vorher festgelegte Zielwellenlänge bzw. einen eingeschränkten Wellenlängenbereich begrenzt. In dem Forschungsvorhaben wurde zunächst der Ansatz verfolgt, die Gitterkoppler abstimmbar zu machen, um so durch Verschieben der Transmissionskurve den Punkt maximaler Effizienz auf die Zielwellenlänge einstellen zu können. Die Abstimmbarkeit sollte durch Ladungsträgerinjektion bzw. -verarmung in dotierten Gitterkopplern erreicht werden. Simulationen haben eine Abstimmbarkeit von maximal ca. 20 nm ergeben, was für gedachte Anwendungen recht wenig ist. Zudem hat sich in den Messungen an Teststrukturen gezeigt, dass der Plasmadispersionseffekt von einem deutlich stärkeren thermooptischen Effekt überlagert wird. Insgesamt konnten damit Verschiebungen der Transmissionskurve um mehr als 40 nm demonstriert werden. Durch den damit verbundenen Leistungsverbrauch und die erforderliche Regelung ist diese Methode aber für reale Anwendungen unattraktiv, insbesondere, wenn viele Koppler auf einem Chip abgestimmt werden müssen. Geht man auf den ursprünglichen Grundgedanken zurück, bei fixierter Faser eine möglichst hohe optische Bandbreite nutzen zu können, so ist eine Abstimmbarkeit nicht zwingend erforderlich, wenn der Koppler schon per se eine ausreichend große Bandbreite aufweist. Daher wurde im weiteren Verlauf des Vorhabens untersucht, wie die optische Bandbreite rein passiver Gitterkoppler deutlich erhöht werden kann. Dazu wurden zunächst Algorithmen entwickelt, um durch aperiodische Optimierung der Stege und Gräben der Gitterstruktur einen möglichst flachen Verlauf der Koppeleffizienz zu erreichen. Als Resultat konnte ein Koppler mit einer 1-dB-Bandbreite von über 80 nm gezeigt werden. Trotz der reduzierten maximalen Koppeleffizienz von -4 dB ist dieser Koppler deutlich effizienter als bisher veröffentlichte breitbandige Koppler anderer Gruppen. Generell hat sich gezeigt, dass mit dieser Optimierungsmethode die maximal erreichbare Koppeleffizienz jedoch gegenläufig zur Erhöhung der Bandbreite ist. Um auszunutzen, dass die spektrale Lage des Maximums der Koppeleffizienz vom Einfallwinkel des Lichts abhängt, wurde ein weiterer Ansatz verfolgt. Da die zuführende Glasfaser unter einem festen Winkel fixiert sein soll, kann die Brechung an einem dispersiven Material die gewünschten Winkeländerungen des Lichtstrahls herbeiführen. Dazu durchgeführte optischen Simulationen mit homogenen und strukturierten dispersiven Schichten belegen diesen Sachverhalt, die Realisierung eines Prototyps steht noch aus. In eine ähnliche Richtung zielt auch die Verwendung eines Übergitters aus Si3N4. Neben den Untersuchungen zu den abstimmbaren bzw. breitbandigen Gitterkopplern wurde im Rahmen des Projektes ein Packaging-Prozess etabliert, der es erlaubt, in einem kompakten Aufbau eine stabil verklebte Faser-Chip-Ankopplung zu realisieren.
Publications
- Tunable Grating Coupler with High Efficiency; Joint Symposium on Opto- and Microelectronic Devices and Circuits (SODC), Changchun, China, 2016, pp. 52
Sfar Zaoui, Wissem; Rathgeber, Lotte; Föhn, Thomas; Vogel, Wolfgang; Berroth, Manfred
- Packaging Process for Efficient Coupling Using a Grating Coupler with Backside Mirror; International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD), Copenhagen, Denmark, 2017, TuP21, pp. 151-152
Hoppe, Niklas; Haug, Manuel; Vogel, Wolfgang; Félix Rosa, María; Föhn, Thomas; Rathgeber, Lotte; Berroth, Manfred
(See online at https://doi.org/10.1109/nusod.2017.8010036) - Sealed and Compact Fiber Links to Integrated Photonics Using Grating Couplers; IEEE International Conference on Group IV Photonics, Berlin, Germany, 2017, pp. 139–140
Hoppe, Niklas; Haug, Manuel; Polder, Thomas; Félix Rosa, María; Vogel, Wolfgang; Scheck, Pascal; Rathgeber, Lotte; Widmann, Daniel; Berroth, Manfred
(See online at https://doi.org/10.1109/group4.2017.8082235) - Bandwidth-Enhancement of Silicon Grating Couplers Using Dispersive Coatings, International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD), Ottawa, Canada, 2019, MP01
Hoppe, Niklas; Klenk, Rouven H.; Rathgeber, Lotte; Vogel, Wolfgang; Berroth, Manfred
(See online at https://doi.org/10.1109/NUSOD.2019.8806940)
