Marcin LELIT1,2, Andrzej POŁATYŃSKI1,5, Krzysztof ANDERS1,3,4
Stanisław STOPIŃSKI1,3,4, Piotr WIŚNIEWSKI2,
Mateusz SŁOWIKOWSKI2, Marcin JUCHNIEWICZ2, Bartłomiej STONIO1,2, Krystian PAVŁOV2, Bartosz MICHALAK2,
Maciej FILIPIAK2 oraz Ryszard PIRAMIDOWICZ1,3,4
1Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa
2Politechnika Warszawska, Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT,
ul. Poleczki 19, 02-822 Warszawa
3LightHouse Sp. z o.o., ul. Stefczyka 34, 20-151 Lublin
4VIGO Photonics S.A., ul. Poznańska 129/133, 05-850 Ożarów Mazowiecki
5VPIphotonics GmbH, Carnotstr. 6, 10587 Berlin, Niemcy
Fotoniczne układy scalone (ang. photonic integrated circuit, PIC) są wykorzystywane od początku XXI wieku w systemach telekomunikacyjnych i transmisji danych ze względu na ich wyjątkowe zalety - kompaktowe rozmiary, energooszczędność, wysoką niezawodność i relatywnie niskie koszty wytwarzania (w skali masowej). W ostatniej dekadzie obszar zastosowania układów PIC poszerzył się o systemy sensoryczne, zdobywające kolejne nisze rynkowe.
Jednym z głównych wyzwań w projektowaniu i produkcji układów fotoniki scalonej (poza uzyskaniem zakładanej funkcjonalności) jest zapewnienie niskostratnych interfejsów I/O, możliwych do zaimplementowania w produkcji masowej i charakteryzujących się jak najwyższą (co najmniej mikrometrową) tolerancją na niedopasowanie geometryczne położenia elementów interfejsu [1]. Dojrzałe platformy fotoniczne oferują obecnie wydajne interfejsy dla długości fali z zakresu 1550 nm. Układy PIC działające w zakresie widzialnym (VIS) i średniej podczerwieni (mid-IR) wymagają zastosowania nowych platform materiałowych, takich jak german na krzemie (Ge-on-Si) czy azotek krzemu (SiN), gdzie osiągnięcie niskich strat wtrąceniowych pozostaje wyzwaniem koncepcyjnym
i technologicznym [2].
W niniejszej pracy omówiono strategie optymalizacji wydajności sprzęgania przy użyciu dwóch rodzajów interfejsów optycznych dla nowych platform fotonicznych. Pierwsza metoda pozwala na sprzęganie w płaszczyźnie układu PIC, wykorzystując konwertery rozmiaru pola modowego (ang. spot-size converters). Druga metoda polega na wykorzystaniu sprzęgaczy siatkowych (ang. grating couplers, GC). W pracy porównano podstawowe parametry transmisyjne oraz tolerancję centrowania dla obu systemów interfejsu oraz uzyskaną poprawę efektywności sprzęgania.
Badania zostały częściowo sfinansowane przez: (POB FOTECH) Politechniki Warszawskiej w ramach Inicjatywy Doskonałości: Uczelnia Badawcza (IDUB) umowa nr 1820/339/Z01/POB1/2021 oraz (YOUNG PW) przez Politechnikę Warszawską w ramach Inicjatywy Doskonałości: Uczelnia Badawcza (IDUB) umowa nr CPR-IDUB/51/Z01/2024. Niniejsza praca otrzymała wsparcie od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu MIRPIC (TECHMATSTRATEG-III/0026/2019-00).
Literatura
[1] Riccardo Marchetti, Cosimo Lacava, Lee Carroll, Kamil Gradkowski, oraz Paolo Minzioni, "Coupling strategies for silicon photonics integrated chips [Invited]," Photon. Res. 7, 201-239 (2019); https://doi.org/10.1364/PRJ.7.000201
[2] Sarah Daniel J. Blumenthal, “Photonic integration for UV to IR applications,” APL Photonics 5, 020903 (2020); https://doi.org/10.1063/1.5131683