Высокоэффективный решетчатый элемент связи для волноводов

Н.В. МАСАЛЬСКИЙ
Научно-исследовательский институт системных исследований РАН, Москва
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ РЕШЕТЧАТЫЙ ЭЛЕМЕНТ СВЯЗИ ДЛЯ ВОЛНОВОДОВ «КРЕМНИЙ
НА ИЗОЛЯТОРЕ»
Обсуждаются вопросы реализации высокоэффективной оптической связи волновода со структурой
«кремний на изоляторе» и оптоволокна при помощи решетчатого элемента. Принцип работы основан на
дифракции света на дифракционной решетке, параметры которой выбираются таким образом, чтобы
обеспечить наибольшую эффективность связи. Топология решетки: длина, ширина и параметры канавок
(глубина и ширина) оптимизируются численно. Для одномодовых волновода и оптоволокна максимальная
эффективность связи равна 61% на длине волны 1550 нм для оптической волны TE поляризации.
Задача реализации высокоэффективной оптической связи волновода со структурой «кремний на
изоляторе» (КНИ) и оптоволокна при помощи решетчатого элемента, которая обсуждается в данной работе,
схематично показана на рис. 1. КНИ волновод представляет собой кремниевую пленку поверх погруженного
оксидного слоя на кремниевой подложке.
Рис. 1. Схема связи волокно-КНИ волновод
Решетка вытравлена в кремниевой пленке. Канавки решетки инвариантные в x направления. При этом
КНИ волновод имеет конечную ширину. Поверх кремния есть соответствующий слой окиси кремния для
согласования показателей преломления волокна и волновода. Торец конца волокна располагается под
небольшим углом. Угол  между осью волокна и нормалью к поверхности волновода в дальнейшем будем
полагать, составляет менее 0.14 рад. Это значение выбрано для того, чтобы избежать отражения от
поверхности элемента.
Прототип элемента представляет собой 20 канавок и, соответственно, 19 промежутков, толщины
волновода – 210 нм, погруженного окисла – 945 нм, покровного слоя – 1 мкм. При оптимизации топологии
решетки учитывалось технологическое ограничение на изменение размера (ширины), которое составляет 5
нм. Рассчитанная зависимость эффективности связи по длине волны для структуры с минимальной шириной
канавки 30 нм и глубиной 100 нм показана на рис. 2а, кривая 1. Максимальная эффективность связи равна
61% на длине волны 1550 нм. В диапазоне волн 1532-1567 нм потери данной структуры меньше чем 1 дБ,
нежелательные (вторичные) отражения от волноводной поверхности составляют 25 дБ. Элемент –
чувствительный поляризатор. Эффективность связи для ТМ моды порядка 22 дБ. На рис 2б приведена
зависимость эффективности связи от толщины погруженного окисла.
Оценить влияние глубины травления канавки позволяют результаты моделирования, приведенные на
рис. 2а, где показаны нормированные зависимости эффективности связи для различных глубины травления.
При отклонении на 10 нм максимальная эффективность связи остается приблизительно одинаковой, однако
диапазон длин волн сдвигается на 10 нм вверх при уменьшении глубины и вниз при ее увеличении. Этот
сдвиг может быть компенсирован корректировкой угла наклона волокна, но для большинства приложений
глубину травления нужно воспроизводить очень точно. Для оценки влияние отклонения ширины канавки,
мы моделировали структуру со статистическими ошибками по ширине канавок по методу Монте-Карло.
Когда распределение ошибок нормальное с полушириной 10 нм, то результирующая эффективность связи
практически не снижается, а спектр смещен несколько нанометров вниз.