stringtranslate.com

Щелевой волновод

Щелевой волновод — это оптический волновод , который направляет строго ограниченный свет в субдлинноволновой области с низким показателем преломления посредством полного внутреннего отражения .

Щелевой волновод состоит из двух полос или пластин из материалов с высоким показателем преломления (n H ), разделенных щелевой областью с низким показателем преломления (n S ) субволнового масштаба и окруженных оболочками из материалов с низким показателем преломления (n C ).

Схема 2D щелевого волновода. Свет распространяется в направлении z.
Схема 3D щелевого волновода. Свет распространяется в направлении z

Принцип действия

Принцип работы щелевого волновода основан на разрыве электрического поля (E-field) на интерфейсах с высоким контрастом показателя преломления. Уравнения Максвелла утверждают, что для удовлетворения непрерывности нормальной составляющей электрического поля смещения D на интерфейсе соответствующее E-field должно претерпеть разрыв с большей амплитудой на стороне с низким показателем преломления. То есть на интерфейсе между двумя областями диэлектрических постоянных ε S и ε H соответственно:

Д С Н =Д Ч Н
ε S E S N =ε H E H N
н С 2 Э С Н =н Н 2 Э Н Н

где верхний индекс N указывает на нормальные компоненты векторных полей D и E. Таким образом, если n S < <n H , то E S N >>E H N .

Профиль электрического поля щелевого волновода 2D. Вектор электрического поля параллелен оси Y.
Распределение электрического поля 3D щелевого волновода. Основная компонента электрического поля параллельна оси x

Учитывая, что критический размер щели (расстояние между пластинами или полосами с высоким индексом) сопоставим с длиной экспоненциального затухания фундаментальной собственной моды структуры направленной волны, результирующее электрическое поле, нормальное к интерфейсам с высоким индексом контраста, усиливается в щели и остается высоким по всей ее длине. Плотность мощности в щели намного выше, чем в областях с высоким индексом. Поскольку распространение волны происходит за счет полного внутреннего отражения, эффект интерференции отсутствует, и структура щели демонстрирует очень низкую чувствительность к длине волны. [1]

Изобретение

Щелевой волновод появился в 2003 году как неожиданный результат теоретических исследований электрооптической модуляции металл - оксид - полупроводник (МОП) в кремниевых фотонных волноводах с высоким ограничением Вильсона Розы де Алмейды и Карлоса Ангуло Барриоса, тогда аспиранта и постдокторанта, соответственно, в Корнелльском университете . Теоретический анализ [1] и экспериментальная демонстрация [2] первого щелевого волновода, реализованного в системе материалов Si/SiO 2 на рабочей длине волны 1,55 мкм, были представлены исследователями Корнелльского университета в 2004 году.

После этих пионерских работ было предложено и продемонстрировано несколько конфигураций направленных волн, основанных на концепции щелевого волновода. Соответствующие примеры следующие:

В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического института предложили использовать несколько щелевых областей в одной и той же волноводной структуре (многощелевой волновод) для увеличения оптического поля в областях с низким показателем преломления. [3] Экспериментальная демонстрация такого многощелевого волновода в горизонтальной конфигурации была впервые опубликована в 2007 году. [4]

В 2006 году подход щелевого волновода был распространен на терагерцовый диапазон частот исследователями из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена . [5] Исследователи из Калифорнийского технологического института также продемонстрировали, что щелевой волновод в сочетании с нелинейными электрооптическими полимерами может быть использован для создания кольцевых модуляторов с исключительно высокой настраиваемостью. [6] Позднее этот же принцип позволил Бэр-Джонсу и др. продемонстрировать модулятор Маха-Цендера с исключительно низким напряжением возбуждения 0,25 В [7] [8]

В 2007 году исследователи из Университета Бата продемонстрировали непланарную реализацию принципа работы щелевого волновода . Они показали концентрацию оптической энергии внутри воздушного отверстия субволнового масштаба, проходящего по длине фотонно -кристаллического волокна . [9]

Недавно, в 2016 году, было показано [10] , что щели в паре волноводов, если они смещены друг относительно друга, могут повысить коэффициент связи даже более чем на 100% при правильной оптимизации, и, таким образом, эффективная длина связи мощности между волноводами может быть значительно уменьшена. Гибридный щелевой (имеющий вертикальную щель в одном волноводе и горизонтальную щель в другом) поляризационный делитель пучка также численно продемонстрирован. Хотя потери для таких щелевых структур высоки, эта схема, использующая асимметричные щели, может иметь потенциал для разработки очень компактных оптических направленных ответвителей и поляризационных делителей пучка для интегрированных оптических устройств на кристалле.

Изгиб щелевого волновода — еще одна структура, необходимая для проектирования волноводов нескольких интегрированных микро- и нанооптических устройств. Одним из преимуществ изгибов волноводов является уменьшение размера отпечатка устройства. Существует два подхода, основанных на схожести ширины Si-рельсов для формирования острого изгиба в щелевом волноводе, которые являются симметричными и асимметричными щелевыми волноводами. [11]

Изготовление

Планарные щелевые волноводы были изготовлены из различных систем материалов, таких как Si/SiO 2 [2] [12] [13] и Si 3 N 4 /SiO 2 . [14] Как вертикальные (плоскость щели перпендикулярна плоскости подложки), так и горизонтальные (плоскость щели параллельна плоскости подложки) конфигурации были реализованы с использованием обычных методов микро- и нанопроизводства. Эти инструменты обработки включают электронно-лучевую литографию , фотолитографию , химическое осаждение из паровой фазы [обычно химическое осаждение из паровой фазы низкого давления (LPCVD) или плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD)], термическое окисление , реактивно-ионное травление и сфокусированный ионный пучок .

В вертикальных щелевых волноводах ширина щелей и полос определяется методами электронной или фотолитографии и сухого травления, тогда как в горизонтальных щелевых волноводах толщина щелей и полос определяется методом тонкопленочного осаждения или термического окисления. Тонкопленочное осаждение или окисление обеспечивает лучший контроль размеров слоев и более гладкие интерфейсы между материалами с высоким индексом контраста, чем литография и методы сухого травления. Это делает горизонтальные щелевые волноводы менее чувствительными к оптическим потерям рассеяния из-за шероховатости интерфейса, чем вертикальные конфигурации.

Изготовление неплоской (на основе волокна) щелевой волноводной конфигурации также было продемонстрировано с помощью традиционной технологии микроструктурированного оптического волокна . [9]

Приложения

Щелевой волновод производит высокую амплитуду электрического поля, оптическую мощность и оптическую интенсивность в материалах с низким индексом на уровнях, которые не могут быть достигнуты с помощью обычных волноводов. Это свойство обеспечивает высокоэффективное взаимодействие между полями и активными материалами, что может привести к полностью оптическому переключению , [15] оптическому усилению [16] [17] и оптическому обнаружению [6] в интегрированной фотонике. Сильное ограничение электрического поля может быть локализовано в области с низким индексом в нанометровом масштабе. Как впервые указано в [1] , щелевой волновод может использоваться для значительного повышения чувствительности компактных оптических сенсорных устройств [18] [19] [20] [21 ] [22] [23] [24] или для повышения эффективности оптических зондов ближнего поля . На терагерцовых частотах был разработан щелевой волноводный разветвитель, который обеспечивает распространение терагерцовых волн с низкими потерями. Устройство действует как разветвитель, с помощью которого можно достичь максимальной пропускной способности, регулируя соотношение длины плеч на входе и выходе. [25]

Ссылки

  1. ^ abc Алмейда, Вилсон Р.; Сюй, Цяньфань; Барриос, Карлос А.; Липсон, Михал (1 июня 2004 г.). «Направляющий и удерживающий свет в пустотной наноструктуре». Оптические письма . 29 (11). Оптическое общество: 1209–11. дои : 10.1364/ол.29.001209. ISSN  0146-9592. ПМИД  15209249.
  2. ^ ab Xu, Qianfan; Almeida, Vilson R.; Panepucci, Roberto R.; Lipson, Michal (2004-07-15). "Экспериментальная демонстрация направления и ограничения света в нанометровом материале с низким показателем преломления". Optics Letters . 29 (14). The Optical Society: 1626–8. doi :10.1364/ol.29.001626. ISSN  0146-9592. PMID  15309840.
  3. ^ Feng, N.-N.; Michel, J.; Kimerling, LC (2006). «Концентрация оптического поля в волноводах с низким индексом». IEEE Journal of Quantum Electronics . 42 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 883–888. doi :10.1109/jqe.2006.880061. ISSN  0018-9197. S2CID  46700811.
  4. ^ Сан, Ронг; Донг, По; Фэн, Нин-нин; Хун, Цзин-инь; Мишель, Юрген; Липсон, Михал; Кимерлинг, Лайонел (2007). «Горизонтальные одно- и многощелевые волноводы: оптическое пропускание на длине волны λ = 1550 нм». Оптика Экспресс . 15 (26). Оптическое общество: 17967–72. дои : 10.1364/oe.15.017967 . ISSN  1094-4087. ПМИД  19551093.
  5. ^ Нагель, Михаэль; Марчевка, Астрид; Курц, Генрих (2006). «Низкоиндексные разрывные терагерцовые волноводы». Optics Express . 14 (21). Оптическое общество: 9944–54. doi : 10.1364/oe.14.009944 . ISSN  1094-4087. PMID  19529388.
  6. ^ ab Baehr-Jones, T.; Hochberg, M.; Wang, Guangxi; Lawson, R.; Liao, Y.; Sullivan, PA; Dalton, L.; Jen, AK-Y.; Scherer, A. (2005). "Оптическая модуляция и детектирование в щелевых кремниевых волноводах". Optics Express . 13 (14). The Optical Society: 5216–26. doi : 10.1364/opex.13.005216 . ISSN  1094-4087. PMID  19498512.
  7. ^ Baehr-Jones, Tom; Penkov, Boyan; Huang, Jingqing; Sullivan, Phil; Davies, Joshua; et al. (2008-04-21). "Нелинейный полимерно-плакированный кремниевый щелевой волноводный модулятор с полуволновым напряжением 0,25 В". Applied Physics Letters . 92 (16). AIP Publishing: 163303. doi : 10.1063/1.2909656. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Витценс, Джереми; Бэр-Джонс, Томас; Хохберг, Майкл (2010-07-26). «Проектирование щелевого волновода с приводом от линии передачи, интерферометры Маха-Цендера и их применение в аналоговых оптических линиях». Optics Express . 18 (16). Оптическое общество: 16902–28. doi : 10.1364/oe.18.016902 . ISSN  1094-4087. PMID  20721082.
  9. ^ ab Wiederhecker, GS; Cordeiro, CMB; Couny, F.; Benabid, F.; Maier, SA; et al. (2007). «Усиление поля в оптическом волокне с субволновым воздушным сердечником». Nature Photonics . 1 (2). Springer Science and Business Media LLC: 115–118. doi :10.1038/nphoton.2006.81. ISSN  1749-4885.
  10. ^ Haldar, Raktim; Mishra, V; Dutt, Avik; Varshney, Shailendra K (2016-09-09). "Встроенные широкополосные сверхкомпактные оптические соединители и поляризационные разветвители на основе нецентрированных и несимметричных щелевых Si-проводных волноводов". Journal of Optics . 18 (10). IOP Publishing: 105801. doi : 10.1088/2040-8978/18/10/105801. ISSN  2040-8978. S2CID  7788279.
  11. ^ Аль-Таравни, Мусаб AM; Бакар, А. Ашриф А.; Заин, Ахмад Рифки Мд.; Таравнех, Муад А.; Ахмад, Сахрим Хдж. (2019-02-08). "Повышение производительности полосовых и 180-градусных щелевых волноводных изгибов для интегрированного оптического волноводного модулятора". Optical Engineering . 58 (2). SPIE-Intl Soc Optical Eng: 027104. doi : 10.1117/1.oe.58.2.027104. ISSN  0091-3286. S2CID  126965871.
  12. ^ Baehr-Jones, Tom; Hochberg, Michael; Walker, Chris; Scherer, Axel (21.02.2005). "Высокодобротные оптические резонаторы в щелевых волноводах на основе кремния на изоляторе". Applied Physics Letters . 86 (8). AIP Publishing: 081101. doi : 10.1063/1.1871360. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Schrauwen J., Van Lysebettens J., Vanhoutte M., Van Thourhout D. и др., «Йодное усиление травления кремния сфокусированным ионным пучком для модификации и прототипирования фотонных устройств (2008)», Международный семинар по FIB для фотоники, 1-й, Труды (2008)
  14. ^ Barrios, CA; Sánchez, B.; Gylfason, KB; Griol, A.; Sohlström, H.; Holgado, M.; Casquel, R. (2007). «Демонстрация структур щелевого волновода на платформе из нитрида кремния/оксида кремния». Optics Express . 15 (11). The Optical Society: 6846–56. doi : 10.1364/oe.15.006846 . ISSN  1094-4087. PMID  19546997.
  15. ^ Barrios, CA (2004). «Высокопроизводительный полностью оптический кремниевый микропереключатель». Electronics Letters . 40 (14). Институт инженерии и технологий (IET): 862–863. doi :10.1049/el:20045179. ISSN  0013-5194.
  16. ^ Барриос, Карлос Ангуло; Липсон, Михал (2005). «Электрически управляемое кремниевое резонансное светоизлучающее устройство на основе щелевого волновода». Optics Express . 13 (25). Оптическое общество: 10092–101. doi : 10.1364/opex.13.010092 . ISSN  1094-4087. PMID  19503222.
  17. ^ A. Armaroli, A. Morand, P. Benech, G. Bellanca, S. Trillo, "Сравнительный анализ плоского щелевого микродискового резонатора", Lightwave Technology, Журнал , т. 27, № 18, стр. 4009, 4016, 15 сентября 2009 г.
  18. ^ Барриос, Карлос Ангуло (2006). «Сверхчувствительный наномеханический фотонный датчик на основе горизонтального щелевого волноводного резонатора». IEEE Photonics Technology Letters . 18 (22). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2419–2421. doi :10.1109/lpt.2006.886824. ISSN  1041-1135. S2CID  32069322.
  19. ^ Барриос, Карлос А.; Гилфасон, Кристинн Б.; Санчес, Бенито; Гриоль, Амадеу; Сольстрем, Х.; Хольгадо, М.; Каскель, Р. (17 октября 2007 г.). «Щелевой волноводный биохимический датчик». Оптические письма . 32 (21). Оптическое общество: 3080–2. дои : 10.1364/ол.32.003080. ISSN  0146-9592. ПМИД  17975603.
  20. ^ Делл'Олио, Франческо; Пассаро, Витторио М. (2007). «Оптическое зондирование оптимизированными кремниевыми щелевыми волноводами». Optics Express . 15 (8). Оптическое общество: 4977–93. doi : 10.1364/oe.15.004977 . ISSN  1094-4087. PMID  19532747.
  21. ^ Барриос, Карлос А.; Баньюлс, Мария Хосе; Гонсалес-Педро, Виктория; Гилфасон, Кристинн Б.; Санчес, Бенито; и др. (28 марта 2008 г.). «Безметочное оптическое биосенсорство со щелевыми волноводами». Оптические письма . 33 (7). Оптическое общество: 708–10. дои : 10.1364/ол.33.000708. ISSN  0146-9592. ПМИД  18382525.
  22. ^ Робинсон, Джейкоб Т.; Чен, Лонг; Липсон, Михал (2008-03-13). «Обнаружение газа на кристалле в кремниевых оптических микрорезонаторах». Optics Express . 16 (6). Оптическое общество: 4296–301. doi : 10.1364/oe.16.004296 . ISSN  1094-4087. PMID  18542525.
  23. ^ Витценс, Джереми; Хохберг, Майкл (29.03.2011). «Оптическое обнаружение агрегации наночастиц, вызванной целевой молекулой, с помощью высокодобротных резонаторов». Optics Express . 19 (8). The Optical Society: 7034–61. doi : 10.1364/oe.19.007034 . ISSN  1094-4087. PMID  21503017.
  24. ^ Ghosh, Souvik; Rahman, BMA (2017). «Инновационный прямой резонатор, включающий вертикальную щель в качестве эффективного биохимического датчика» (PDF) . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 23 (2). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 132–139. doi :10.1109/jstqe.2016.2630299. ISSN  1077-260X. S2CID  10903140.
  25. ^ Пандей, Шашанк; Кумар, Гаган; Нахата, Аджай (2010-10-22). «Разветвители на основе щелевого волновода для широкополосного терагерцового излучения». Optics Express . 18 (22). Оптическое общество: 23466–71. doi : 10.1364/oe.18.023466 . ISSN  1094-4087. PMID  21164689.