1870年, 観客は舞台にバケツが2つ重ねて設置されるのを見ていました. 上のバケツに小さな穴があいているため, 水が下のバケツに流れ込み, 曲がっていきました. 観客が驚いたことに, 太陽光は水の曲がりをたどりました. この現象は後に全反射と呼ばれるようになりました. 舞台のパフォーマーである John Tyndall は, 最も目に見えるエネルギーである光を制御しようとした多くの科学者の1人でした.
フォトニクス時代への突入
何十年もの間, 研究者は光を制御して情報の伝送と処理に使用する方法を見つけることを目指していました. これはフォトニクスと呼ばれる研究分野です. その間, 電子がこの責任を担いました. 最近では, フォトリソグラフィー, 分子線エピタキシー, 化学蒸着などの技術の大幅な発展により, 科学者はナノ構造デバイスを製造して光の流れを制御することが可能になりました. 光のパケット (光子) は, ムーアの法則を支える役割を担う有望な候補として予測されました.
光子集積回路の始まり
フォトニクスを研究する研究者の目標は, 空間と時間を効率的に利用しながら, 光子を使用して必要なすべての計算プロセスを実行できる電子集積回路の類似物を提供することでした. 科学者はこの技術を光子集積回路 (PIC) と呼び, さまざまな光学部品を単一の基板に統合できるデバイスです. このチップは, 原理的には, 集束, 分割, 分離, 偏光, 結合, 変調, そして (最終的には) 光の検出など, さまざまな光学操作を実行できるはずです.
さまざまな光学部品を示すフォトニック集積回路の回路図 (縮尺は正確ではありません). 詳細については, 参考文献1を参照してください.
このブログは, 新しいシリコンフォトニクスに関するシリーズの最初の投稿であり, 光導波路について説明します. このブログシリーズの後半では, これらの光学部品がどのようにして PIC の不可欠な部分になったかについて考察します.
PIC 用の光学部品の開発
完全に機能する PIC を構成するさまざまな光学部品が研究対象でした. 科学者は, 光源を作成する方法はレーザーによるものであると判断しました. レーザーは, 狭帯域光源を統合チップ部品に提供できます. 光ファイバーは, 光を一端から他端まで数千キロメートルにわたって伝送できます. 次に, PIC で最も一般的な部品である光導波路があります. この導波路は, 基板上のさまざまな部品をリンクできます.
入力カップラーは, レーザーまたは光ファイバーからの光を基板上に配置された光導波路に効率よく結合するために開発されました. 一方, 方向性カップラーは, 2つの平行な光導波路間の光の結合を制御するために作成されました. その後, リング共振器が登場しました. これは, 光フィルターと同じ目的 (つまり, 狭い周波数帯域のみを許可する) を果たし, 2つの光導波路を反対方向に結合することもできます.
光リング共振器ノッチフィルターの例.
非線形効果の調整
一部の科学者は, あまり評価されていない非線形光学効果を調査して, 第2高調波と第3高調波の波を考案しました. これらの波を使用すると, 周波数倍増, 差分, 混合などの2つの光ビーム間の操作を実行できます.
もう1つの発明は, 光変調器です. これらの部品は, 非線形電気光学効果を使用して, 適用された DC バイアス電位に基づいて光の強度を変更することができます.
フォトニック結晶: 光の流れを制御する
自然界では, 1D, 2D, 3D の高屈折率材料と低屈折率材料を周期的に配置することで, 特定の周波数帯域を反射しながら, 別の周波数帯域を通過させることができることが観察されています. したがって, これらの材料は, 特定の周期的配置でフィルターと共振器の両方として機能します. 異なる誘電体材料の周期的配置は, フォトニック結晶と呼ばれていました.
光を伝搬する材料を見つける
チップスケールパッケージ上で光を伝搬する光導波路を作成するというアイデアから, 科学者たちはどの材料を使用するかに悩みました. 材料の1つは, 高屈折率の GaAs でした. これはコアとして使用され, 低屈折率の AlGaAs で囲まれました. ニオブ酸リチウム基板にチタンをドープして屈折率を高め, コアを形成する, より高度な技術が開発されました.
焦点は, 他のどの材料よりも入手しやすいシリカに絞られました. この技術は, シリコン上のシリカ (Si-SiO2) またはシリコンオンインシュレーター (SOI) として知られるようになりました. シリコン (高屈折率約 3.5) がシリカ (低屈折率約 1.4) 内に埋め込まれています. シリコンの製造技術は十分に確立されており (電子チップのおかげです), 同時にシリコンは他の CMOS 技術と互換性があったため, シリコンフォトニクス技術の研究が促進されました.
シリコン導波路のさまざまな構成
シリコン導波路の核心は, 屈折率の差が約 50% と高いことにあります. これまでの研究では, エネルギーを閉じ込めるために全反射を利用していました. この場合, エネルギーは, 低屈折率のクラッドに囲まれた高屈折率のコアに閉じ込められました. しかし, 最近の研究では, 高屈折率スラブに隣接する低屈折率スロットにエネルギーを閉じ込め, 本質的に損失の低減に役立っています.
高屈折率での光の誘導
最初の手法では, 高屈折率媒体にエネルギーを閉じ込めます. この場合, 内部コア (数百ナノメートルのオーダー) は, 低屈折率クラッド (シリカ) に囲まれた高屈折率材料 (シリコン) で設計されます. 屈折率の差は最大 50% である必要があります
基本モードはコアに閉じ込められており (下の左側の画像を参照), 閉じ込められた正規化パワーは下の右側の画像を参照します.
左: 動作波長 1.55 um の基本モード. 白と黒の矢印は磁場と電場を表しています. 右: 導波管の中心を通る正規化された電力密度.
低屈折率での光の導波
直感に反しますが, エネルギーは低屈折率にも閉じ込められます. さらに, より多くのエネルギーが均一で狭い領域 (20 ～ 80 nm) に留まることがわかったため, 低屈折率はフォトニック回路との統合に適しています.
このような設計では, 低屈折率のナノスロットに隣接する高屈折率のスラブ2つを使用します. さらに, かなりのエネルギーがスロット内に閉じ込められます.
左: スロット幅 50 nm の横電場 (Ex). 右: 導波管の中心を通る正規化された横方向電場 (Ex).
導波管を通して最大電力を供給するために必要なナノスロットの幅を分析するには, 以下に示すように幅のスイープを実行することが必須でした.
スロット内の正規化された電力と強度とスロット幅.
シリコン導波管の設計と試作
このような光導波管のプロトタイプを製造し, それを分析するには, 多くのリソースが必要です. 代わりの推奨されるアプローチは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアなどの数値ツールを使用することです. このシミュレーションツールを使用すると, プロトタイプを迅速に設定し, 製造するプロトタイプを最終決定する前にさらに調査することができます.
COMSOL Multiphysics を使用して, シリコン導波路の2D断面 (高屈折率と低屈折率の両方) のモード解析を実行できます. これにより, 導波路の有効屈折率と基本モードを評価でき, 正規化された電力分布を理解するのに役立ちます.
最初に光導波路の3Dジオメトリを用意し, 導波路の両端に数値ポート境界条件を割り当てることで, 両方のタイプの導波路の完全な3D伝搬を実装します. 境界モード解析スタディ (2Dのモード解析に似ています) をこれらの数値ポートに適用して, 基本モードを解明できます. 基本モードは, 下のアニメーションに示すように, 周波数領域 スタディを使用して導波路内で伝搬するために使用できます.
長さ 10 µm のシリコン導波管の高屈折率閉じ込めケースで伝播する H 場の y 成分.
長さ 10 µm のシリコン導波管の低屈折率閉じ込めケースで伝搬する電場の y 成分.
シリコン導波管に関する最終的な考察
これは, シリコンフォトニクスブログシリーズの最初のブログです. ここでは, さまざまな光学部品について詳細に説明し, COMSOL Multiphysics などの有限要素解析ツールがこれらの部品の設計にどのように役立つかについて説明します. レーザーキャビティから光検出器までの道のりで, 魅力的な科学者に会い, 彼らがどのように光を制御しようとしたかについて説明します.
お楽しみに!
自分で試す
シリコンフォトニクスに関する次のチュートリアルモデルを確認してください:
シリコンフォトニクスブログシリーズの更新リスト
参考文献
- B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics.
- K. Yamada, “Silicon Photonic Wire Waveguides: Fundamentals and Applications”, in Silicon Photonics II, 2011.
- V. Almeida, Q. Xu, C. Barrios, and M. Lipson, “Guiding and confining light in void nanostructure”, Optics Letters, vol. 29, pp. 1209–1211, 2004.
コメント (0)