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May 28, 2023

Effiziente MIR-Crosstalk-Reduzierung auf Siliziumbasis

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7233 (2023) Diesen Artikel zitieren 448 Zugriffe auf Metrikdetails Die Reduzierung des Übersprechens (CT) zwischen benachbarten photonischen Komponenten ist immer noch eine große Herausforderung

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Details zu den Metriken

Die Reduzierung des Übersprechens (CT) zwischen benachbarten photonischen Komponenten ist immer noch eine große Herausforderung bei der Herstellung photonischer integrierter Schaltkreise (PICs) mit hoher Packungsdichte. In den letzten Jahren wurden nur wenige Techniken zur Erreichung dieses Ziels angeboten, jedoch alle im Nah-IR-Bereich. In diesem Artikel berichten wir nach unserem besten Wissen erstmals über einen Entwurf zur Realisierung einer hocheffizienten CT-Reduktion im MIR-Regime. Die beschriebene Struktur basiert auf der Silizium-auf-Kalziumfluorid-Plattform (SOCF) mit gleichmäßigen Ge/Si-Streifenanordnungen. Die Verwendung von Ge-Streifen zeigt eine bessere CT-Reduktion und eine längere Kopplungslänge (Lc) als herkömmliche Si-basierte Geräte über eine große Bandbreite im MIR-Bereich. Die Auswirkung des Hinzufügens einer unterschiedlichen Anzahl von Ge- und Si-Streifen mit unterschiedlichen Abmessungen zwischen zwei benachbarten Si-Wellenleitern auf den Lc und damit auf den CT wird sowohl mit der vollständigen vektoriellen Finite-Elemente-Methode als auch mit der 3D-Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode analysiert. Mit Ge- bzw. Si-Streifen wird im Vergleich zu streifenfreien Si-Wellenleitern eine Steigerung des Lc um 4 Größenordnungen bzw. das 6,5-fache erzielt. Folglich wird eine Übersprechunterdrückung von –35 dB bzw. –10 dB für die Ge- und Si-Streifen gezeigt. Die vorgeschlagene Struktur ist vorteilhaft für nanophotonische Geräte mit hoher Packungsdichte im MIR-Bereich, wie Schalter, Modulatoren, Splitter und Wellenlängenmultiplexer, die für integrierte Schaltkreise, Spektrometer und Sensoren der MIR-Kommunikation wichtig sind.

In den letzten Jahrzehnten hat die Siliziumphotonik mit der rasanten Entwicklung der Nanophotonik-Technologie dank ihrer Kompatibilität mit der Komplementärmetalloxid-Halbleitertechnologie (CMOS)1 großes Interesse gewonnen. Der MIR-Wellenlängenbereich (im Bereich von 2 bis 10 µm) bietet eine Vielzahl praktischer Anwendungen. Dadurch ist es zu einem heißen Forschungsthema für Wissenschaft und Industrie geworden. Der MIR-Spektralbereich, auch „molekulares Fingerabdruckspektrum“ genannt, enthält die signifikanten rotierenden, vibrierenden und absorbierenden Peaks für die meisten Moleküle mit einer spektralen Intensität, die tausende Male größer ist als die des nahen IR-Bereichs2. Daher steuert das MIR-Regime eine Vielzahl von Anwendungen, darunter biologische und chemische Sensorik3, Erkennung von Gasen4, medizinische Diagnostik, Wärmebildgebung5, Überwachung der Umweltverschmutzung2, Gesundheitswesen und industrielle Prozesskontrolle6,7. Diese herausragenden Merkmale des MIR-Regimes locken Forscher dazu, Silizium-Photonikkomponenten/-geräte wie Koppler8, Wellenleiter5, Fotodetektoren9, Ringresonatoren10, Modulatoren11 und Sensoren4 zu entwerfen. In der MIR-Photonik gilt Germanium aus mehreren Gründen als eines der wichtigsten Materialien12. In diesem Zusammenhang weist Ge einen breiten Transparenzbereich bis zu 16,7 µm13, eine hohe freie Ladungsträgerdichte14 und einen großen Brechungsindex (n = 4)15 auf. In Kombination mit Material mit niedrigem Index wie Calciumfluorid (CaF2) ergibt sich also ein hoher Indexkontrast. Im Jahr 2012 wurde der erste MIR-Wellenleiter aus Germanium auf Silizium (Ge-auf-Si) vorgestellt16, danach wurden Wellenleiter mit geringem Verlust (weniger als 1 dB/cm) eingeführt17. Außerdem wurde Ge-auf-CaF2 als effiziente Plattform für optische Wellenleiter genutzt18.

Bei Silizium/Germanium-auf-Isolator-Plattformen (S/GOI) konnte Lichteinschluss in einem kleinen Bereich aufgrund der hohen signifikanten Asymmetrie im Brechungsindex des Kerns (z. B. Si, Ge) und seiner Umhüllung oder seines Substrats (z. B , SiO2, Luft). Die SOI-Plattform ermöglicht den Bau mehrerer ultrakompakter und leistungsstarker photonischer Komponenten, die in PICs eingesetzt werden19. Allerdings ist die Packungsdichte von PICs immer noch gering, was ein erhebliches Hindernis bei der Entwicklung großformatiger, kostengünstiger und mehrschichtiger hybrider integrierter Schaltkreise darstellt.

Kürzlich wurde über neue Ansätze zur Verbesserung der dichten Integration von PICs berichtet. In dieser Hinsicht können plasmonische Wellenleiter20, Metall-Dielektrikum-Hybridstrukturen21 und auf Metamaterialien basierende Strukturen verwendet werden, um den Platzbedarf von Geräten zu verringern22. Beim Design von PICs muss die Wirkung der Wellenleiter aufeinander berücksichtigt werden. Dies ist auf Modenüberlappungen zwischen benachbarten Wellenleitern zurückzuführen, die zu einer gewissen Kopplung und CT zwischen den Wellenleitern führen. Wenn die optischen Moden jedoch stark eingeschränkt sind, sind die Überlappung und die CT zwischen Wellenleitern schwach und unbedeutend. Daher gilt die CT als wesentlicher Faktor für die Packungsdichte optischer Wellenleiter und Geräte. Daher wurden in den letzten Jahren verschiedene Techniken zur Reduzierung des Übersprechens entwickelt, beispielsweise nanophotonisches Cloaking23 und Wellenleiter-Supergitter24. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten CT-Reduktionsmethoden bei Telekommunikationswellenlängen von 1,3 µm und 1,55 µm erzielt wurden. Außerdem wurden Subwellenlängen-Siliziumstreifen und -gitter in den optischen Wellenleiter eingeführt, um das geführte Licht in den PICs zu steuern25,26. Infolgedessen sind in den letzten Jahren kompakte gekoppelte Wellenleitergeräte entstanden27. Khavasi et al.25 haben zwei Subwellenlängenstreifen zwischen zwei benachbarten Wellenleitern hinzugefügt, in denen vollständig dielektrische Metamaterialien einen stark begrenzten Modus erzeugten. Daher wird im Vergleich zum streifenfreien Fall ein deutlicher Anstieg des Lc induziert25. Der Lc erweitert sich durch das Hinzufügen von drei Siliziumstreifen zwischen zwei benachbarten Wellenleitern im Vergleich zum Fall ohne Streifen um bis zu zwei Größenordnungen. Yu et al. haben numerische Ergebnisse bei der gleichen Wellenlänge und Größe der Wellenleiter erzielt28. Darüber hinaus haben Yang et al. haben den Lc um drei Größenordnungen verbessert als in28, indem sie drei ungleichmäßige Si-Streifen zwischen den beiden Wellenleitern eingefügt haben29. Es ist erwähnenswert, dass alle oben genannten Studien im NIR-Bereich gearbeitet haben, und zwar bei λ = 1,55 µm, basierend auf der Einführung von Siliziumstreifen oder -gittern zwischen Standard-SOI-Wellenleitern.

Aufgrund ihres hohen thermooptischen Koeffizienten und ihrer Polarisationsempfindlichkeit wird anstelle von Standard-SOI im MIR-Wellenlängenbereich eine Silizium-auf-Kalzium-Fluorid-Plattform (SOCF) eingesetzt30. Darüber hinaus ist die Absorption von SiO2 in diesem Spektralbereich recht hoch31, daher wird CaF2 mit n ≈ 1,4 (im MIR-Spektrum) und einem Transmissionsfenster bis ≈ 9 µm als Substrat verwendet. Es ist erwähnenswert, dass CaF2 im Vergleich zu anderen Materialien wie Saphir (Al2O3) (n ≈ 1,7) und Siliziumnitrid (Si3N4) (n ≈ 1,9) einen hohen Indexkontrast und eine hohe Transmission mit Transmissionsfenstern von bis zu ≈ 5,5 µm und ≈ 7 ermöglicht µm bzw.7. Der Wellenlängenbereich von 3–5 µm enthält atmosphärische Transmissionsfenster, die den Einsatz der Siliziumphotonik in Lichterkennungs- und Entfernungsmesssystemen (LIDAR) und MIR-Kommunikation6 ermöglichen. Darüber hinaus wird die Wellenlänge von 3,5 µm in Sensoranwendungen32 und Mikroringresonatoren mit verlustarmer Ausbreitung33 verwendet.

In diesem Artikel wird nach unserem besten Wissen zum ersten Mal ein CT-Reduktionsansatz in der MIR-Region basierend auf der SOCF-Plattform vorgeschlagen. Die beschriebene Struktur besteht aus Si/Ge-Streifen zwischen benachbarten Wellenleitern, um das Übersprechen deutlich zu unterdrücken und die Kopplungslänge zu erhöhen. Zunächst wird der Einfluss der geometrischen Parameter von SOCF-basierten Wellenleitern im streifenfreien Fall untersucht. Zweitens werden umfassende Studien zum Effekt des Hinzufügens von Si- und Ge-Subwellenlängenstreifen mit unterschiedlicher Anzahl und Größe zwischen SOCF-basierten Wellenleitern auf dem Lc und dem CT durchgeführt. Zur Durchführung der Modalanalyse wird die vollständige vektorielle Finite-Elemente-Methode (FVFEM)34,35,36,37 über das COMSOL Multiphysics-Softwarepaket (https://www.comsol.com) verwendet. Die 3D-Methode der finiten Differenzzeitdomäne (FDTD)38 des Lumerical FDTD-Softwarepakets (https://www.lumerical.com) wird verwendet, um die Lichtausbreitung durch die vorgeschlagene Struktur zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass bei λ = 3,5 µm ein sehr langer Lc von 3,3 m mit einem niedrigen CT von − 34,65 dB unter Verwendung von 2-Ge-Streifen zwischen zwei benachbarten Siliziumwellenleitern erhalten wird. Darüber hinaus wird bei 4-Si-Streifen ein Lc von 5,32 mm mit einem CT von − 9,83 dB erreicht. Der erhaltene CT (−34,6 dB) ist besser als der in39 (−22,38 dB) angegebene Wert, bei dem zwei asymmetrische Si-Streifen zwischen zwei Si-Wellenleitern bei λ = 1,55 µm implementiert wurden. Darüber hinaus ist es sogar besser als das in40 berichtete (−27,71 dB), wo drei Ge-Streifen zwischen zwei Si-Wellenleitern bei λ = 1,55 µm eingefügt wurden.

Die Querschnitts- und 3D-Ansichten des vorgeschlagenen Geräts auf Basis der SOCF-Plattform sind in den Abbildungen dargestellt. 1a bzw. b. Dieses System umfasst zwei Subwellenlängen-Ge- oder Si-Streifen, die zwischen zwei parallelen Silizium-Stegwellenleitern liegen, die auf einem CaF2-Substrat mit Luftmantel gebildet sind. Die Brechungsindizes von Ge, Si und CaF2 werden mithilfe der in41,42,43 angegebenen Sellmeier-Gleichungen ermittelt. Die Strukturparameter w, ds, da sind die Breiten des Si-Kerns, der Ge- oder Si-Streifen bzw. des Luftschlitzes. Darüber hinaus ist d der Rand-zu-Rand-Abstand zwischen Silizium-Stegwellenleitern und h die Höhe von Wellenleitern und Streifen.

(a) Schematische Querschnittsansicht des vorgeschlagenen Systems, das aus zwei symmetrischen Ge-Streifen-Arrays besteht, die zwischen dem Silizium-Wellenleiterpaar eingefügt sind, (b) seine 3D-Ansicht und (c) verschiedene Herstellungsschritte des vorgeschlagenen Systems. Dieses Bild wurde von Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (Lizenznummer: 675038) erstellt und für Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Der vorgeschlagene Prozessablauf zur Systemherstellung ist in Abb. 1c dargestellt. Mithilfe der Molekularstrahlepitaxie können Si-Schichten epitaktisch auf einem CaF2-Substrat im Ultrahochvakuum44 gezüchtet werden, wo CaF2-Kristallsubstrate kommerziell erhältlich sind45. Mithilfe der HBr/Cl2-Chemie kann ein Trockenätzen von Si durchgeführt werden46. Es ist erwähnenswert, dass auf die gleiche Weise Si- und Ge-Array-Streifen zwischen den beiden benachbarten Wellenleitern hinzugefügt werden können44. Darüber hinaus kann im Fall von Ge-Streifen das Waferbonden eines Ge-Films auf einem Isolator eingesetzt werden47.

Die CT-Reduzierung zwischen benachbarten Wellenleitern hängt von der Verringerung der Leckage von einem Wellenleiter zu seiner Umgebung ab, wodurch der Lc erhöht wird. Der Lc ist definiert als der Abstand, bei dem die maximale optische Leistung von einem Wellenleiter zum anderen übertragen wird. Gemäß der Theorie der gekoppelten Moden ist Lc gegeben durch48:

Dabei sind ns und na die Realteile der effektiven Indizes der symmetrischen bzw. antisymmetrischen Moden, die von der Dual-Core-Struktur unterstützt werden.

Die Kopplung zwischen zwei benachbarten Wellenleitern kann durch Modifizieren der Durchdringung der evaneszenten Welle in die umgebenden Medien und damit durch Steuern des CT23 gesteuert werden. Die Abklingkonstante der evaneszenten Welle im zweiten Medium kann wie folgt ausgedrückt werden:

Dabei sind \(k\frac{||}{x}\) ,\(k\frac{|}{y}\) die parallelen und senkrechten Komponenten des Wellenvektors zur Grenzfläche zwischen dem Kern und dem umgebenden Medium . εx, εy sind die Dielektrizitätskonstanten des zweiten Mediums parallel und senkrecht zur Grenzfläche und k0 ist der Wellenvektor im freien Raum. Aus Gl. (2) Das Verhältnis der Permittivitätskomponenten bestimmt die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in das zweite Medium. Daher kann die Abklingrate der evaneszenten Welle für einen Wellenleiter gesteuert werden, indem das Verhältnis der Permittivität parallel zur Grenzfläche (εx) zu derjenigen senkrecht dazu (εy) geändert wird. Dadurch können die Eindringtiefe der evaneszenten Wellen, der Lc und damit CT zwischen zwei benachbarten Wellenleitern gesteuert werden. Dies kann erreicht werden, indem die Permittivität entlang der horizontalen und vertikalen Richtung durch Ändern der Abmessungen der Streifenanordnung geändert wird.

Im Gegensatz zu SOI, das eine Standardbreite von 500 nm und eine Höhe von 220 nm hat, haben SOCF-Wellenleiter keine Standardabmessungen, insbesondere im MIR-Bereich. Dementsprechend werden die geometrischen Parameter untersucht, um die Betriebswellenlänge im MIR-Bereich zu steuern. Durch Ändern der Abmessungen der Si-Wellenleiter können die Realteile der ns- und na-Moden gesteuert werden. Daher ändert sich Lc gemäß Gl. (1). Die Modalanalyse wird mittels FVFEM durchgeführt. Der Rechenbereich ist in dreieckige Elemente mit einer maximalen Elementgröße von 3 × 10−8 unterteilt. Streurandbedingungen werden in allen Querrichtungen genutzt, um den Simulationsbereich abzuschneiden. Abbildung 2 zeigt die Variation von Lc mit den Wellenleiterabmessungen B, H und D. In Abb. 2a ist zu sehen, dass Lc zunimmt, wenn die Breite und Höhe des Si-Wellenleiters erhöht wird. Darüber hinaus nimmt Lc mit zunehmendem d zu, wie in Abb. 2b zu sehen ist. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht jedoch darin, die Packungsdichte nanophotonischer Geräte zu erhöhen, dh den Lc bei minimal zulässigem Wellenleiterabstand zu erhöhen. Daher werden die Abmessungen der SOCF-basierten Wellenleiter sorgfältig ausgewählt, um die Ausbreitung des stark eingeschränkten transversalen elektrischen Grundmodus (TE) zu unterstützen, wie im Einschub von Abb. 2b gezeigt, und einen minimalen Lc bei λ = 3,5 µm zu erhalten. Dementsprechend werden die geometrischen Parameter von Si-Wellenleitern mit w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm angenommen. Der berechnete Lc bei diesen Parametern beträgt 844 µm.

Variation der Kopplungslänge Lc mit der Änderung von (a) Breite w und Höhe h und (b) Variation von Lc mit dem Trennungsabstand d des Siliziumwellenleiters ohne Streifen. Einschub: Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) der symmetrischen und antisymmetrischen Super-TE-Moden für zwei benachbarte Siliziumwellenleiter mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm. Das Bild der Verteilung des elektrischen Feldes wurde von COMSOL Multiphysics 5.3 erstellt, https://www.comsol.com (Lizenznummer: 17074294), veröffentlicht für Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten.

Als nächstes werden gleichmäßige Streifen aus Ge oder Si zwischen den beiden benachbarten Wellenleitern hinzugefügt, um den Lc zu erhöhen und den CT zu reduzieren. In dieser Untersuchung wird der Einfluss der Anzahl und Breite der eingefügten Streifen auf den Lc und damit auf den CT im Detail untersucht. Wenn sich Art, Anzahl und Abmessungen der Streifen ändern, ändert sich auch das Permittivitätsverhältnis der Moden. Durch die Steuerung dieses Verhältnisses kann die Eindringtiefe der evaneszenten Welle in die umgebenden Medien gesteuert werden. Folglich kann die erhaltene CT kontrolliert werden. Darüber hinaus beeinflusst diese Änderung die Brechungsindizes neff der resultierenden Moden. Daher kann die Differenz in neff minimiert werden, um Lc gemäß Gleichung zu maximieren. (1) und erhalten Sie den niedrigsten CT-Wert.

Zunächst wird der Einfluss des Hinzufügens von Si-Streifen auf den Lc untersucht und die Ergebnisse sind in Abb. 3 und Tabelle 1 dargestellt. Abbildung 3a zeigt, dass Lc durch die Verwendung von Si-Streifen um den Faktor 2,5 bis 6,5 zunimmt der Fall ohne Si-Streifen. Die Abbildungen 3b–e zeigen die Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) symmetrischer und antisymmetrischer TE-Moden bei effektiven Breiten, die jeweils den maximalen Lc ergeben. Durch die Erhöhung der Anzahl der Si-Streifen-Arrays erhöht sich Lc und die Feldprofile werden im Kernbereich stärker eingeschränkt. Durch die Erhöhung der Anzahl der Streifen wird jedoch jeder einzelne Streifen weniger dick, wie in Tabelle 1 zusammengefasst. Es ist anzumerken, dass die Reduzierung der Streifendicke eine Herausforderung bei der Geräteherstellung darstellt. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass die Lücke zwischen Si-Strukturen in Si-Bragg-Gitter-Wellenleitern weniger als 50 nm beträgt49.

(a) Variation der Kopplungslänge Lc mit der Breite ds und der Anzahl der Si-Streifen und ohne Streifen für zwei benachbarte Siliziumwellenleiter mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm. Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) symmetrischer und antisymmetrischer TE-Moden für jeden Fall bei der effektiven Breite, bei der Lc den größten Wert erreicht. (b) 1-Si-Streifen mit einer Breite von 170 nm, (c) 2-Si-Streifen mit einer Breite von 105 nm, (d) 3-Si-Streifen mit einer Breite von 77 nm und (e) 4-Si-Streifen mit einer Breite von 59 nm. Die Bilder der elektrischen Feldverteilung werden von COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (Lizenznummer: 17074294), erstellt und für die Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Abbildung 4 zeigt den wellenlängenabhängigen Lc für verschiedene untersuchte Strukturen beim optimalen Wert von ds, wie in Tabelle 1 zusammengefasst. Wie aus Abb. 4 ersichtlich ist, steigt Lc für alle Strukturen an, nachdem dünne Si-Streifen zwischen den beiden Si-Wellenleitern in Bezug auf hinzugefügt wurden Fall ohne Streifen. Betrachtet man den Fall ohne Si-Streifen, ist der Bereich zwischen den beiden Wellenleitern gleichmäßig (Luft) mit einer konstanten Permittivität von 1. Daher ist εy sehr klein, was zu einer kleineren Abklingrate \(\left(k\frac{|} {y}\right)\) in Normalenrichtung gemäß Gl. (2), was den Kopplungsprozess zwischen den beiden Si-Wellenleitern verbesserte, was zu einem kleinen Lc im gesamten Wellenlängenbereich führte. Durch das Hinzufügen von Si-Streifen zwischen den beiden Wellenleitern wird jedoch εy groß, dann nimmt die Abklingrate \(\left(k\frac{|}{y}\right)\) zu und die Eindringtiefe der evaneszenten Welle in den umliegende Abnahme. Dadurch wird die Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern schwach, Lc nimmt zu. Unter bestimmten Bedingungen wird das optimale Permittivitätsverhältnis erreicht, Lc erreicht einen Maximalwert und es erscheint ein Peak in der Lc-Kurve, wie in Abb. 4 dargestellt. Darüber hinaus wird im Fall von 2-Si ein maximaler Lc von 8,5 m erhalten Streifen mit ds von 105 nm bei λ = 2,5 µm. In den 3- und 4-Si-Streifenstrukturen hat Lc ebenfalls große Werte von 0,25 m bzw. 0,3 m bei λ ≃ 3 µm.

Variation der Kopplungslänge Lc mit der Wellenlänge (λ) für Strukturen aus zwei benachbarten Siliziumwellenleitern mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm, mit und ohne Si-Streifen bei der effektiven Breite ds, dargestellt in Tabelle 1 .

In ähnlicher Weise wird die Variation des Lc mit der Anzahl und Breite der Streifen für Ge-Streifen anstelle von Si-Streifen mit den gleichen Abmessungen von Si-Wellenleitern bei λ = 3,5 µm untersucht, und die erhaltenen Ergebnisse sind in Abb. 5a dargestellt. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass es in allen Fällen, in denen Ge-Streifen zwischen den beiden benachbarten Si-Stegwellenleitern hinzugefügt werden, im Vergleich zu nicht verwendeten Streifen einen signifikanten Anstieg von Lc gibt. Die Abbildungen 5b–e zeigen die Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) für die analysierten Strukturen mit effektiver Breite, die den maximalen Lc liefert. Im Fall eines einzelnen Ge-Streifens wird Lc etwa viermal größer als im Fall ohne Streifen. Während in anderen Fällen (2-, 3- und 4-Ge-Streifen) der Lc um 4 Größenordnungen zunimmt, was als sehr hoher Anstieg angesehen wird, wie in Abb. 5a und Tabelle 2 dargestellt. Dieser große Anstieg des Lc ist darauf zurückzuführen der kleine Neff-Unterschied zwischen den symmetrischen und antisymmetrischen Moden bei optimaler Breite. Das vorgeschlagene Gerät mit Ge-Streifen bietet einen viel größeren Bereich des Permittivitätsverhältnisses. Bei den Designs mit 2, 3 und 4 Ge-Streifen weisen die Lc-Kurven zwei Spitzen auf, wie in Abb. 5a zu sehen ist. Aufgrund der Annäherung an das optimale Permittivitätsverhältnis bei der effektiven Breite von Ge-Streifen. Der Lc erreicht den Maximalwert von 3,3 m, wenn zwischen den beiden Si-Wellenleitern 2-Ge-Streifen mit einer optimalen Breite von 147 nm hinzugefügt werden. In diesem Fall ist der Unterschied in neff sehr klein, etwa 1 × 10−6, und daher ist Lc extrem groß (Gleichung 1), sodass Wellenleiter mit einem vernachlässigbaren CT nahe beieinander platziert werden können. Zur weiteren Erläuterung zeigt Tabelle 3 die Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) und die elektrische Feldstärke (1D-Liniendiagramm) symmetrischer und antisymmetrischer TE-Moden bei unterschiedlichen Breiten (ds) der Struktur von 2-Ge-Streifen. Die verwendeten geometrischen Parameter sind w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm. Wie in Tabelle 3 gezeigt, ändern sich auch Lc und die Feldstärke, wenn sich ds der beiden einheitlichen Ge-Streifen ändert. Die Kopplung zwischen zwei benachbarten Wellenleitern kann durch Ändern der Permittivität entlang der horizontalen und vertikalen Richtung gesteuert werden, indem der Typ (das Material selbst), die Anzahl und die Abmessungen der Streifen geändert werden. Unter optimalen Bedingungen wird die Kopplung zwischen zwei Wellenleitern schwach und die Kopplungslänge wird sehr groß. Dies erklärt, warum in Abb. 5a die Lc-Kurve, die dem Fall von 2-Ge-Streifen entspricht, zwei Peaks bei ds = 147 nm und 102 nm aufweist. Darüber hinaus erklärt dies, warum die Feldstärke an einem Kern hoch ist (dh das E-Feld ist gut begrenzt) und der andere bei 102 nm und insbesondere bei 147 nm schwach ist (Abb. 5c) im Vergleich zu anderen untersuchten Breiten, wie dargestellt in Tabelle 3. Bei nicht optimalen Streifenbreiten (alle Reihen von Tabelle 3 außer der 2. und 4. Reihe) wird das Feld jedoch zwischen den beiden Kernen aufgeteilt, was eine starke Kopplung zwischen ihnen zeigt. Dieses Ergebnis wird durch die in der rechten Spalte von Tabelle 3 dargestellten Lcs deutlich. Ein wichtiger Hinweis ist, dass bei Ge-Streifen mit ds = 147 nm das Seitenverhältnis des Designs ≈ 1:4 wird, was mit Standard-Nanofabrikationsmethoden machbar ist. Allerdings nimmt der Lc mit zunehmender Breite der Ge-Streifen ab (z. B. ≥ 190 nm für 1-Ge-Streifen), da die Luftschlitze zwischen Streifen und Wellenleitern sehr dünn werden, was wiederum die Überlappung der evaneszenten Wellen erhöht.

(a) Variation der Kopplungslänge Lc mit der Breite ds und der Anzahl der Ge-Streifen und ohne Streifen für zwei benachbarte Siliziumwellenleiter mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm. Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) symmetrischer und antisymmetrischer TE-Moden für jeden Fall bei der effektiven Breite, bei der Lc den größten Wert erreicht. (b) 1-Ge-Streifen mit einer Breite von 180 nm, (c) 2-Ge-Streifen mit einer Breite von 147 nm, (d) 3-Ge-Streifen mit einer Breite von 55 nm und (e) 4-Ge-Streifen mit einer Breite von 39 nm. Die Bilder der elektrischen Feldverteilung werden von COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (Lizenznummer: 17074294), erstellt und für die Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Wie aus den Abb. ersichtlich ist. In den Abbildungen 3b–e und 5b–e führt das Einfügen von Ge-Streifen zwischen den beiden Si-Kernen anstelle von Si-Streifen dazu, dass das Feld in einem Kern stärker eingeschränkt wird als im anderen. Daher wird die Kopplung zwischen den beiden Si-Wellenleitern durch die Verwendung von Ge-Streifen sehr schwach und daher wird Lc sehr groß. Um diese Idee weiter zu veranschaulichen, zeigt Abb. 6 die Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) und die elektrische Feldstärke (1D-Liniendiagramm) symmetrischer und antisymmetrischer TE-Moden für die Strukturen von 2-Ge-Streifen, 2-Si Streifen und das ohne Streifen. Es ist erwähnenswert, dass diese Studie bei λ = 3,5 µm durchgeführt wird, wobei die geometrischen Parameter w, h, d und ds mit 1,5 µm, 0,6 µm, 0,5 µm bzw. 147 nm angenommen werden. Abbildung 6 zeigt, dass in der Struktur mit 2-Ge-Streifen die Feldstärke an einem Kern hoch (dh gut begrenzt) ist, während sie am anderen Kern im Vergleich zur Struktur mit 2-Si-Streifen schwach ist. Dies bedeutet, dass bei 2-Si-Streifen (ds = 147 nm) mit Lc = 2,47 × 103 μm eine starke Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern auftritt, verglichen mit 2-Ge-Streifen (ds = 147 nm) mit Lc = 3,3 × 106 μm, bei dem die Kopplung sehr schwach wird. Dies liegt daran, dass Ge einen höheren Brechungsindex (n = 4,03541) als Si (n = 3,428442 bei λ = 3,5 µm) aufweist. In Kombination mit CaF2 (n = 1,4143) weist es also einen großen Indexkontrast auf (≈ 2,62). Darüber hinaus weist Ge im MIR-Bereich ein breites Spektrum an Transparenz auf12. Daher verringert das Hinzufügen von Ge-Streifen die Felddurchdringung optischer Moden vom ersten zum zweiten Wellenleiter und verringert somit den CT-Wert18.

Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) (2D-Oberflächendiagramm) und elektrische Feldstärke (1D-Liniendiagramm) von symmetrischen und antisymmetrischen TE-Moden zweier benachbarter Siliziumwellenleiter mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm (a) ohne Streifen (b) 2-Si-Streifen mit ds = 147 nm und (c) 2-Ge-Streifen mit ds = 147 nm. Die Bilder der elektrischen Feldverteilung und Feldstärke werden von COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (Lizenznummer: 17.074.294), erstellt und für die Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Die Kopplungslängenanalyse wird dann über einen weiten Wellenlängenbereich für alle Fälle mit und ohne Ge-Streifen beim optimalen ds-Wert durchgeführt, der in jedem Fall den maximalen Lc ergibt, wie in Abb. 7 dargestellt. Diese Abbildung zeigt, dass in den Fällen 2, 3 , und 4-Ge-Streifen wird das Maximum Lc genau bei λ = 3,5 µm erreicht und nimmt ab, wenn man sich von dieser Wellenlänge entfernt. Darüber hinaus liegt Lc bei Strukturen mit Null- und 1-Streifen im gesamten untersuchten Wellenlängenbereich unter 10 cm.

Variation der Kopplungslänge Lc mit der Wellenlänge für Strukturen aus zwei benachbarten Siliziumwellenleitern mit geometrischen Parametern w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm, mit und ohne Ge-Streifen bei der effektiven Breite ds, dargestellt in Tabelle 2.

Es ist erwähnenswert, dass mit zunehmendem Lc der CT abnimmt. CT (in dB-Skala) kann über Gleichung berechnet werden. (3):

Dabei ist Pout die Ausgangsleistung am Ende des zweiten Wellenleiters, während Pin die Eingangsleistung am Anfang des ersten Wellenleiters ist.

Die Ausbreitung des grundlegenden TE-Modus wird bei einer Gerätelänge von L = 1000 µm untersucht, wobei die geometrischen Parameter für verschiedene Fälle ohne Addition mit w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm und λ = 3,5 µm angenommen werden Streifen und unter Hinzufügung von Si- oder Ge-Streifen, wie in den Abbildungen zu sehen ist. 8, 9 und 10. Die FDTD-Methode wird verwendet, um die Feldausbreitung durch die 3D-Struktur über das Lumerical-Softwarepaket zu simulieren. Die Struktur wird in sehr kleine Rechtecke mit einer automatischen ungleichmäßigen Netzgenauigkeit von 5 und einer Simulationszeit von 15.000 fs diskretisiert, um eine hohe Simulationsauflösung sicherzustellen. Die perfekt angepasste Schicht (PML) als absorbierende Randbedingung wird auf alle Querrichtungen angewendet, um den Simulationsbereich abzuschneiden. Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass eine vollständige Kopplung ohne Streifen zwischen den beiden Si-Wellenleitern bei Lc ≈ 840 µm auftritt, was gut mit dem Ergebnis in Abb. 8 übereinstimmt. 3 und Tabelle 1. Das Hinzufügen von Si-Streifen beeinflusst jedoch die Kopplungsstärke, insbesondere mit zunehmender Anzahl von Si-Streifen, wie in Abb. 9a und b angegeben. Abbildungen 10 zeigen, dass das Einfügen von Ge-Streifen den Kopplungsprozess deutlich verringert. Wie in Abb. 10b dargestellt, kann Licht in der Struktur von 2-Ge-Streifen bei einem sehr kleinen CT mehr als 1000 µm zurücklegen. Das ist völlig kompatibel mit den in den Abbildungen gezeigten Ergebnissen. 5 und Tabelle 2 bezüglich der Struktur von 2-Ge-Streifen zeigen, dass für eine vollständige Kopplung zwischen den beiden Wellenleitern mit 2-Ge-Streifen dazwischen ein Abstand Lc von 3,3 m erforderlich ist.

Elektrische Feldintensitätsverteilung des grundlegenden TE-Modus mit einer Ausbreitungslänge L = 1000 µm durch die vorgeschlagene Struktur ohne Hinzufügen von Streifen, wobei w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm und λ = 3,5 µm. Dieses Bild wurde von Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (Lizenznummer: 675038) erstellt und für Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Elektrische Feldintensitätsverteilung des TE-Grundmodus mit einer Ausbreitungslänge von L = 1000 µm durch die vorgeschlagene Struktur mit Hinzufügung von Si-Streifen, wobei w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm und λ = 3,5 µm. (a) 1-Si-Streifen mit ds = 170 nm, (b) 4-Si-Streifen mit ds = 59 nm. Dieses Bild wurde von Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (Lizenznummer: 675038) erstellt und für Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Elektrische Feldintensitätsverteilung des grundlegenden TE-Modus mit einer Ausbreitungslänge von L = 1000 µm durch die vorgeschlagene Struktur mit Hinzufügung von Ge-Streifen, wobei w = 1,5 µm, h = 0,6 µm und d = 0,5 µm und λ = 3,5 µm. (a) 1-Ge-Streifen mit ds = 180 nm, (b) 2-Ge-Streifen mit ds = 147 nm. Dieses Bild wurde von Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (Lizenznummer: 675038) erstellt und für Zewail City of Science and Technology, Gizeh, Ägypten, veröffentlicht.

Die CT-Werte werden über Gl. berechnet. (3), wie in Tabelle 4 angegeben, wobei L ≈ 840 µm und die geometrischen Parameter w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm und λ = 3,5 µm sind. Darüber hinaus werden verschiedene Fälle ohne und mit Hinzufügen von Si- und Ge-Streifen zwischen zwei Si-Wellenleitern betrachtet und die erhaltenen CT-Werte in Tabelle 4 zusammengefasst. Es ist erwähnenswert, dass L als erforderliche Länge für eine vollständige Kopplung auf 840 µm festgelegt ist ohne Streifen zwischen den beiden benachbarten Wellenleitern. Darüber hinaus verringert das Hinzufügen von Ge-Streifen den CT-Wert effizienter als Si-Streifen. In diesem Zusammenhang verringert das Hinzufügen von 2-Ge-Streifen den CT-Wert auf -34,6 dB. Dieser CT-Wert kann vernachlässigt werden, wie in50 erwähnt, wo die photonische Integrationsdichte mithilfe von Y-Verzweigungs- und optischen Filtern bewertet wurde. In50 wurde berichtet, dass der CT zwischen zwei benachbarten Wellenleitern ignoriert werden kann, wenn er weniger als 30 dB beträgt. Hier ist der erhaltene CT-Wert (−34,6 dB) besser als der in39 erhaltene Wert (−22,38 dB), wo zwei asymmetrische Si-Streifen zwischen einem Paar Si-Wellenleitern mit einer Breite von 500 nm und einem Abstand von Mitte zu Mitte bei halber Wellenlänge vorhanden sind ( λ = 1,55 µm) berücksichtigt. Darüber hinaus ist der in dieser Arbeit erhaltene CT-Wert besser als der in40 angegebene (−27,71 dB), wo 3-Ge-Streifen mit w = 45 nm und h = 171 nm zwischen zwei Si-Wellenleitern mit 500 nm Breite eingefügt und getrennt wurden um 250 nm bei λ = 1,55 µm.

Basierend auf diesen Ergebnissen ist der CT-Wert umso niedriger, je länger Lc zwischen Si-Wellenleitern ist. Dies bedeutet, dass die CT zwischen Wellenleitern grundsätzlich von der Kopplungslänge abhängt. Tabelle 5 zeigt einen Vergleich zwischen den Kopplungslängen, der Basisplattform und der Betriebswellenlänge der zuvor gemeldeten Wellenleiterstrukturen und der vorgeschlagenen Strukturen. In dieser Arbeit werden zwei Designs beschrieben, die auf der SOCF-Plattform anstelle des Standard-SOI basieren. Das erste Design wird durch Einfügen von Si-Streifen zwischen zwei Si-Wellenleitern konstruiert, wobei der Fall von 4-Si-Streifen einen größeren Lc (5,32 mm) ergibt als die in25,51 berichteten. Im Fall von 3-Si-Streifen im NIR wird jedoch in28 ein größerer Lc von 332 mm erreicht. Es ist erwähnenswert, dass das auf einer SOCF-Plattform basierende Design mit 3-Si-Streifen mit den Abmessungen w = 500 nm, h = 220 nm und d = 500 nm (die zum NIR-Bereich passen) einen Lc von 660 mm bei λ = 1,55 μm bietet . Das zweite Design basiert auf der Einfügung von Ge-Streifen zwischen zwei Si-Wellenleitern, wobei der Fall von 2-Ge-Streifen den höchsten Lc-Wert (3,3 m) ergibt, der größer ist als der in40 angegebene. In29 ergab die Verwendung von drei ungleichmäßigen Si-Streifen im NIR jedoch einen großen Lc von 312,2 m. Im Gegensatz dazu ist die Methode des Hinzufügens gleichmäßiger Streifen am unkompliziertesten und einfachsten in der Herstellung. Daher kann die beschriebene Struktur mit 2-Ge-Streifen als vielversprechender Kandidat zur Minimierung der CT zwischen zwei benachbarten photonischen Wellenleitern im MIR-Wellenlängenbereich genutzt werden.

In diesem Artikel werden zwei Designs beschrieben, die auf der Silizium-auf-Kalzium-Fluorid-Plattform mit gleichmäßigen Ge/Si-Streifenarrays basieren, und analysiert, um die CT zwischen zwei benachbarten Wellenleitern im MIR-Wellenlängenbereich zu minimieren. Die Kopplungslänge zwischen den beiden Grundmoden in den beiden benachbarten Wellenleitern nimmt zu, indem die Abklingrate des evaneszenten Feldes vom angeregten Kern erhöht wird. Dies wird durch die Kontrolle des Materials, der Anzahl und der Abmessungen der hinzugefügten Streifen erreicht. Der berechnete Lc erhöht sich um den Faktor 2,5 bis 6,5, wenn Si-Streifen zwischen die beiden benachbarten Si-Wellenleiter eingefügt werden, im Vergleich zum Fall ohne Streifen, wodurch ein zulässiger CT-Wert von −9,83 dB erreicht wird. Während Lc durch Hinzufügen von Ge-Streifen um 4 Größenordnungen zunimmt. Der Maximalwert von Lc = 3,3 m wird durch Hinzufügen von 2-Ge-Streifen mit einem sehr kleinen CT von − 34,64 dB erhalten. Somit besteht nahezu keine Kopplung zwischen den beiden benachbarten Si-Wellenleitern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der vorgeschlagene Ansatz für die Realisierung einer hocheffizienten und breitbandigen CT-Reduktion im MIR-Regime von Vorteil ist. Infolgedessen können in diesem Spektralbereich ultrahochdichte PICs erzielt werden, die den Weg für die weitere Entwicklung in verschiedenen Anwendungen wie Polarisationsteilern52, Polarisationsrotatoren53 und integrierten photonischen Schaltern54 ebnen.

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

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MM Elkholy

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Mohamed Farhat O. Hameed

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BMY und MFOH haben die Hauptidee der berichteten Arbeit vorgeschlagen. NME hat alle Simulationsarbeiten im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Forschung durchgeführt. NME, BMY, MFOH und SSAO haben zur Analyse, Diskussion und zum Verfassen des Papiers beigetragen. MAG und MME haben zur Diskussion und Überarbeitung des Papiers beigetragen.

Korrespondenz mit Mohamed Farhat O. Hameed oder SSA Obayya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elgammal, NM, Younis, BM, Gaafar, MA et al. Effiziente MIR-Übersprechreduzierung basierend auf einer Silizium-auf-Kalzium-Fluorid-Plattform mit Ge/Si-Streifenarrays. Sci Rep 13, 7233 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34116-9

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Eingegangen: 31. Juli 2022

Angenommen: 25. April 2023

Veröffentlicht: 04. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34116-9

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