Siliziumphotonik

Welche Aussage zu einer Struktur, bei der ein Silizium-Wellenleiter (Brechungsindex etwa 3,5) von Oxid (SiO2, Brechungsindex etwa 1,45) umgeben ist, ist richtig?

  1. AWegen des großen Brechungsindexunterschieds tritt Licht leicht nach außen aus, sodass sich der Wellenleiter nur mit größeren Radien als eine Glasfaser biegen lässt und sich nicht für die Integration eignet
  2. BDer große Brechungsindexunterschied schließt das Licht stark ein, sodass Biegungen mit kleinen Radien von wenigen µm möglich sind und Bauelemente dicht angeordnet werden können
  3. CJe größer der Brechungsindexunterschied, desto unempfindlicher ist der Wellenleiter gegenüber Seitenwandrauigkeit, sodass die Ausbreitungsverluste so gering wie bei einer Glasfaser werden
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Antwort: B. Der große Brechungsindexunterschied schließt das Licht stark ein, sodass Biegungen mit kleinen Radien von wenigen µm möglich sind und Bauelemente dicht angeordnet werden können

Licht wird an der Grenze zwischen dem Kern mit hohem Brechungsindex und der Umgebung (Mantel) mit niedrigem Brechungsindex durch Totalreflexion eingeschlossen, und zwar umso stärker, je größer der Brechungsindexunterschied ist. Der Unterschied zwischen Silizium und Oxid beträgt etwa 2 und ist damit um Größenordnungen größer als der zwischen Kern und Mantel einer Glasfaser (unter 1 %); so lassen sich schmale Wellenleiter mit einem Querschnitt von etwa 0,5 µm × 0,22 µm herstellen und Biegeradien bis hinab zu wenigen µm erreichen. Andererseits wird Licht umso stärker an Seitenwandrauigkeiten gestreut, je größer der Brechungsindexunterschied ist; die Ausbreitungsverluste liegen je nach Bedingungen bei typischen Streifenwellenleitern bei etwa 1 bis 3 dB/cm (bei Rippenwellenleitern oder verlustarmen Prozessen darunter) und sind damit weit höher als bei einer Faser (etwa 0,2 dB/km).

Querschnitt von Si-Wellenleitern (Streifen und Rippe) SiO₂ (n ≈ 1,45) Si (n ≈ 3,5) Lichtfeld SiO₂-Mantel vergrabenes Oxid (BOX) Si-Substrat Breite ca. 500 nm d = 220 nm SiO₂-Mantel vergrabenes Oxid (BOX) Si-Substrat Breite ca. 500 nm Slab Streifenwellenleiter Rippenwellenleiter starke Führung, enge Biegungen Elektrodenanschluss über Slab
Querschnitt von Si-Wellenleitern (Streifen und Rippe) · Im Diagrammverzeichnis ansehen
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