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Jul 07, 2023

Fibra riconfigurabile

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 7252 (2022) Cita questo articolo 2584 Accessi 2 Citazioni 1 Altmetric Metrics dettagli Nella fotonica del silicio, accoppiatori fibra-guida d'onda assistiti da reticolo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7252 (2022) Citare questo articolo

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Nella fotonica del silicio, gli accoppiatori fibra-guida d'onda assistiti da reticolo forniscono un accoppiamento fuori piano per facilitare i test a livello di wafer; tuttavia, la larghezza di banda e l'efficienza limitate ne limitano l'uso nelle applicazioni a banda larga. In alternativa, gli accoppiatori end-fire superano questi vincoli ma richiedono un processo di cubettatura prima dell'utilizzo, il che li rende inadatti per i test a livello di wafer. Per risolvere questo compromesso, viene proposto e progettato un modulo di accoppiamento riconfigurabile fibra-guida d'onda per consentire sia l'accoppiamento assistito da reticolo che quello end-fire nello stesso circuito fotonico. Il modulo proposto utilizza un accoppiatore direzionale commutabile che incorpora un sottile strato di materiale a cambiamento di fase, il cui stato è inizialmente amorfo per rendere l'accoppiatore attivato e quindi facilitare l'accoppiamento assistito da reticolo per i test a livello di wafer. Lo stato può essere modificato in cristallino attraverso un processo di ricottura a bassa temperatura per disattivare l'accoppiatore direzionale, facilitando così l'accoppiamento a livello di chip a banda larga tramite accoppiatori end-fire. Tutti i componenti che comprendono gli accoppiatori direzionali commutabili congiunti, nonché la griglia e gli accoppiatori end-fire sono stati progettati individualmente attraverso simulazioni rigorose. Successivamente sono stati assemblati per stabilire il modulo di accoppiamento riconfigurabile proposto, che è stato simulato e analizzato per convalidare l'operazione di accoppiamento selettivo. Il modulo proposto dà origine ad una bassa perdita in eccesso inferiore a 1,2 dB e ad un elevato rapporto di estinzione superiore a 13 dB in tutta la banda C, quando funziona con ingresso assistito da reticolo o end-fire. Si prevede che il modulo di accoppiamento riconfigurabile proposto costituirà una soluzione pratica per accelerare in modo flessibile l'ispezione dei circuiti fotonici integrati su scala wafer.

I circuiti integrati fotonici (PIC) per l'informatica quantistica, la guida del fascio, le comunicazioni ottiche e molte altre applicazioni sono stati ampiamente studiati e sviluppati negli ultimi dieci anni1,2,3,4,5,6. Dal punto di vista dell'ispezione pratica e del funzionamento dei circuiti fotonici, un accoppiatore assistito da reticolo (GAC) e un accoppiatore end-fire basato su un convertitore di dimensione dello spot (SSC) sono principalmente considerati gli schemi comunemente raccomandati per la guida fibra-onda. attacco luce7,8,9,10,11,12. I GAC sono principalmente progettati per l'accoppiamento fuori dal piano, mentre gli SSC sono adatti per l'accoppiamento end-fire nel piano7,8. I test a livello di wafer, possibili solo con l'aiuto dei GAC, sono essenziali per garantire la migliore resa PIC durante la fabbricazione. Tuttavia, per i GAC, la larghezza di banda limitata, la minore efficienza di accoppiamento e la maggiore sensibilità alla polarizzazione li rendono meno desiderabili7,9. D'altro canto, gli SSC danno luogo ad un'eccezionale efficienza di accoppiamento, una larghezza di banda più ampia e una migliore tolleranza alla polarizzazione7,13, ma comportano inevitabilmente un ulteriore processo di cubettatura/lucidatura dei chip; rendendoli così inadatti per i test a livello di wafer. Con la crescente domanda di chip fotonici altamente integrati e il rapido aumento delle dimensioni dei wafer fotonici, i test a livello di wafer sono diventati comprensibilmente indispensabili per accelerare il processo di sviluppo dei chip. In questo contesto, la scelta tra GAC ​​e SSC induce a un compromesso tra la qualità di fabbricazione e l'usabilità del PIC. Pertanto, un metodo che incorpori entrambi gli accoppiatori nello stesso circuito sarebbe estremamente vantaggioso per ottenere una migliore qualità di fabbricazione e una più ampia applicabilità.

Negli ultimi decenni sono stati condotti separatamente diversi studi sugli accoppiatori end-fire e reticolo; tuttavia, per quanto ne sappiamo, non è stato riportato alcun lavoro che discutesse di un accoppiatore integrato in grado di soddisfare sia l'accoppiamento in piano ricorrendo a un accoppiatore end-fire sia l'accoppiamento fuori piano utilizzando un GAC nello stesso circuito. Per integrare simultaneamente GAC e SSC nello stesso circuito, è necessario un meccanismo che commuti gli ingressi e le uscite. Non è fattibile utilizzare gli interruttori fotonici comunemente disponibili che fanno affidamento su effetti termo-ottici ed elettro-ottici, poiché il loro funzionamento comporta una fornitura continua di energia per il loro funzionamento3. Con l'avvento dei materiali ottici a cambiamento di fase (PCM), la commutazione non volatile può essere eseguita senza alimentazione continua14,15,16,17,18. L'adozione di PCM consente di integrare simultaneamente GAC e SSC in un unico circuito, rendendo così l'accoppiamento della luce sia a livello di wafer che a livello di chip. Uno studio riportato dal gruppo Y. Zhang ha dimostrato un accoppiatore a presa transitoria in grado di prelevare una piccola porzione di luce da una guida d'onda, che potrebbe essere disabilitata regolando lo stato del PCM, per probabili applicazioni nei test a livello di wafer19. Tuttavia, si limita a sfruttare solo una piccola porzione di luce, non facilitando il test dei circuiti a livello di wafer su vasta scala. La caratterizzazione su vasta scala, che può gestire una potenza di ingresso/uscita anziché una piccola porzione di essa, è fondamentale per sfruttare appieno i test a livello di wafer. In questo contesto, è categoricamente ricercato uno schema di accoppiamento riconfigurabile che preveda test sia a livello di wafer che su scala di chip su vasta scala per eseguire un'ispezione rapida e flessibile dei PIC in produzione.