Станция высокоточной стыковки оптического волокна с фотонно-интегральными чипами

Кремниевая фотоника – это технология создания фотонных интегральных схем (ФИС) на кремниевой платформе, аналогично тому, как электроника интегрируется на кремниевых микросхемах. Главным материалом здесь служит кремний-на-изоляторе (Silicon-on-Isolator, SOI): структура, в которой тонкий слой монокристаллического кремния расположен на слое диэлектрика и подложке.

Развитие кремниевой фотоники и фотонно-интегральных схем (ФИС) ставит перед инженерами одну из ключевых технологических задач — эффективный и воспроизводимый ввод и вывод оптического излучения. Стыковка стандартного одномодового оптического волокна с субмикронными волноводами фотонного чипа требует позиционирования с микронной точностью, стабильности и контроля на всех этапах процесса.

Станция стыковки волокна с ФИС предназначена для решения этой задачи в условиях научных лабораторий, центров прототипирования и мелкосерийного производства фотонных устройств. 

Почему стыковка волокна с ФИС — это нетривиальная задача

Размер моды стандартного одномодового оптоволокна составляет порядка 9 мкм, в то время как эффективные размеры моды в кремниевых волноводах находятся в диапазоне сотен нанометров. Такое рассогласование приводит к высоким потерям при неточной юстировке и делает ручную стыковку крайне нестабильной и плохо воспроизводимой.

Даже смещение волокна на доли микрона относительно оптимального положения может привести к увеличению потерь на единицы децибел. Поэтому для работы с торцевыми (edge coupler) и решёточными (grating coupler) вводами требуется многокоординатное высокоточное позиционирование.

Типы соединений

В современной кремниевой фотонике для преодоления проблемы ввода-вывода используются два ключевых подхода к построению оптических соединителей между волокном и чипом:

Рисунок 1. Вертикальное соединение оптического волокна с решетчатым соединителем на кристалле

• Волоконно-решеточный соединитель (Grating Coupler) – это дифракционный ввод/вывод, реализованный непосредственно на поверхности чипа. Он представляет собой небольшую дифракционную решетку, изготовленную в кремниевом слое. Свет из оптического волокна направляется на эту решетку под определенным углом и дифрагируя, свет захватывается в волновод. Решеточные соединители удобны тем, что позволяют осуществлять ввод и вывод излучения с поверхности кристалла, что упрощает тестирование.

Рисунок 2. Схематическая диаграмма поперечного сечения решетчатого соединителя

На изображении показано поперечное сечение кремниевого волновода с выведенной в верхней оболочке периодической структурой. Решётка характеризуется следующими параметрами:

• ∧ — период решётки;
• W — ширина зубцов решётки;
• ff (fill factor)— коэффициент заполнения, равный W/Λ;
• ed — глубина травления (shallow или full etch);
• θ_c — угол излучения в верхнюю оболочку (cladding);
• θ_air и θ_fibre — углы излучения в воздух и в волокно соответственно.

Свет, распространяющийся в волноводе, дифрагирует на периодической структуре и выводится вверх P_up, частично излучаясь вниз в подложку P_down или отражаясь обратно в волновод P_r.

Рисунок 3. Торцевое соединение оптического волокна с краевым соединением волновода на кристалле

• Торцевой соединитель (Edge Coupler) представляет собой метод прямого соединения оптического волокна с торцом кремниевого чипа. В этом подходе свет вводится и выводится через боковую грань кристалла, попадая непосредственно в продольное направление кремниевого волновода. Данный метод требует физического доступа к краю чипа и высокой точности юстировки волокна относительно волновода.

Основная сложность использования торцевых соединителей связана с существенным рассогласованием размеров моды волокна и моды кремниевого волновода. Для минимизации потерь и улучшения согласования моды в современных фотонных интегральных схемах применяется структура обратного конуса (nano-taper или inverse taper). Такая структура представляет собой плавное сужение волновода от стандартной ширины порядка 500 нм до узкой области на торце чипа 150–180 нм. Таким образом, использование подобного соединения является одним из наиболее эффективных способов достижения низких вносимых потерь и высокой повторяемости результатов.

На рисунке ниже представлена схема обратного конуса — с отполированной гранью. В этом случае волновод постепенно сужается до малой ширины, обеспечивая плавное согласование моды волновода и моды волокна.

Рисунок 4. Структура обратного конуса, используемая для ввода и вывода света через торец кремниевого фотонного чипа

Оба описанных подхода широко применяются, и выбор между ними зависит от задачи. Независимо от типа соединителя, критически важным является точное выравнивание волокна относительно оптической структуры на чипе.

Учитывая микрометровые и субмикрометровые размеры оптических мод в кремниевых волноводах, система выравнивания должна обеспечивать позиционирование с очень высокой точностью. Даже небольшое отклонение может привести к значительному увеличению потерь.

Архитектура и возможности станции

Станция представляет собой интегрированную оптомеханическую систему, объединяющую прецизионную механику и специализированное программное обеспечение.

Такая конфигурация позволяет выполнять как двустороннюю стыковку волокон, так и одиночные соединения с высокой точностью.

Области применения

Станция стыковки волокна с ФИС эффективно используется для:

Практическая ценность для лаборатории

• Ключевое преимущество станции – простота и интуитивность работы.

Все этапы юстировки выполняются вручную с помощью микрометрических регулировок и визуального контроля, что позволяет инженеру напрямую чувствовать процесс выравнивания и быстро понимать влияние каждого перемещения на оптический сигнал. Это особенно важно при работе с новыми или нестандартными фотонными структурами, где автоматические алгоритмы могут быть избыточны или неприменимы.

• Гибкость при работе с различными типами образцов

Ручная регулировка и модульная конструкция позволяют быстро адаптироваться под разные форм-факторы чипов, типы волокон и схемы ввода/вывода (торцевые соединения, FA-коннекторы, экспериментальные структуры).

• Минимальные требования к инфраструктуре

Станция не требует сжатого воздуха, водяного охлаждения или сложной программной экосистемы. Это упрощает интеграцию оборудования в существующую лабораторию и снижает совокупные эксплуатационные затраты.

• Оптимальный баланс между стоимостью и функциональностью

Станция предоставляет необходимую точность и удобство для исследований и прототипирования без избыточной сложности, что делает её экономически оправданным решением для R&D и образовательных центров.

Для команд, работающих с кремниевой фотоникой, такая система становится не просто вспомогательным оборудованием, а ключевым элементом технологической инфраструктуры.

Компания АО «ЛЛС» предлагает ручную станцию стыковки от азиатского бренда OMTOOLS, Wuhan Red Star Yang.

Автор статьи: Кирилл Стеховский, инженер группы «Оптика и оптомеханика»

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.