美国AIM Photonics教程|无源硅基光电子芯片元件（上）
光电子芯片（PIC）为光电子领域带来了革命性的变化，可将各种光学组件集成到单个芯片上。在这些组件中，无源 PIC 在引导、操纵和控制光传播方面发挥着重要的作用。本文精选AIM Photonics教程，探讨了无源 PIC 的基本概念和设计注意事项，包括波导、弯管、分光器/合路器和定向耦合器。波导是任何 PIC 的核心，种限制和引导光线沿所需路径传播的结构。在本教程中，我们将重点介绍硅波导，硅波导因其高折射率对比度和与互补金属氧化物半导体 （CMOS） 制造工艺的兼容性而广泛应用于现代 PIC 中。硅波导主要有两种类型：带状波导和肋/脊波导。带状波导通常用于普通光路布线，具有弯曲半径小、传播损耗低的特点。而肋/脊波导则适用于需要电接触的设备，如电光调制器和光电探测器。
图 1：硅波导类型
光学模式是对光在波导内传播方式的完整描述。以空间特征模式轮廓和有效折射率 （neff） 为特征，而有效折射率是相关材料折射率的空间平均值。有效折射率决定了传播光的相位速度和群速度。
图 2：波导模式
硅波导的厚度和宽度是影响其光学特性的关键参数。通常使用的厚度为 220 nm，因为它能在电信波长（约 1550 nm）上为 TE 和 TM 偏振提供单模工作。在这种厚度下，单模工作的最大宽度通常在 500 nm 左右。
图 3：有效折射率与波长的关系
图 4：有效指数与宽度
群折射率指数 （ng） 是描述光传播群速度的基本参数。它说明了有效指数与波长的关系，并与环形谐振器和马赫-泽恩德干涉仪（MZIs）中的自由光谱范围（FSR）有关。色散以群指数随波长的变化为特征，在某些应用中（如非线性光学）非常重要。
图 5：硅波导中的群折射率指数
波导弯曲波导是集成电路不可或缺的一部分，可实现紧凑布线并有效利用芯片空间。但是，波导弯曲会因辐射、模式转换和传播损耗而带来损耗。最小弯曲半径由波导尺寸和极化决定，TE 模式通常比 TM 模式支持更窄的弯曲。
图 6：波导弯曲模式
图 7：弯曲损耗示例
Y 形分支也称为分路器或合路器，是 PIC 中用于分光或合光的无源元件。根据设计的不同，Y-分支可表现出不同的分光/合光比率和光学性能。多模干涉 （MMI） Y 形分支和为制造性而优化的紧凑型 Y 形分支常用于现代 PIC 中。
图 8：Y 型分支设计定向耦合器是 PIC 中的重要组件，用于根据耦合波导之间的相对相位组合或分离光线。当两个波导靠近时，光可以从一个波导耦合（隧道）到另一个波导，这种现象受超模相互作用的影响。
图 9：超模 neff
超模的跳动行为导致波导之间周期性的功率传输，交叉长度（100% 功率传输）由有效指数差和工作波长决定。
图 10：定向耦合器（250 纳米间隙）设计定向耦合器通常需要为所需的分光比（如 50：50 分光比）找到最佳耦合长度。然而，这一比率严格取决于波长。为实现宽带工作，可采用绝热耦合器或相位控制设计。
图 11：宽带定向耦合器设计MZI 是多功能组件，可用于各种应用，包括调制、开关和传感。它由两个平行波导组成，其中一个臂作为基准，另一个臂包含相位调制器或传感组件。通过控制两臂之间的相对相位，可在输出端实现建设性或破坏性干扰，从而实现调制或开关功能。链路仿真工具（如 pSim 或 Synopsys RSoft 提供的工具）可用于设计和优化 MZI 电路，方法是将本教程中讨论的各个无源组件的紧凑模型结合起来。
图 12：MZI 链路仿真示例
无源 PIC 是现代集成光电子技术的支柱，可以在芯片上有效地操纵和控制光的传播。本文介绍了关键无源组件的基本概念和设计注意事项，包括直波导、弯曲波导、分光器/合路器和定向耦合器。通过了解这些组件及其相互作用，研究人员和工程师可以为从电信到传感等各种应用设计和优化 PIC。[1] https://twitter.com/AIMPhotonics
微信公众号 
bilibili 
微信视频号