Hyperuniform uordnede bølgeledere og anordninger til nær infrarød silicon fotonik

I en ny rapport offentliggjort d Videnskabelige rapporter , Milan M. Milošević og et internationalt forskerhold ved Zepler Institute for Photonics and Nanoelectronics, Etaphase Incorporated og afdelingerne for kemi, Fysik og astronomi, i USA og Storbritannien introducerede en hyperuniform-uordnet platform til at realisere nær-infrarøde (NIR) fotoniske enheder til at oprette, opdage og manipulere lys. De byggede enheden på en silicium-on-isolator (SOI) platform for at demonstrere strukturernes funktionalitet i en fleksibel, silicium-integreret kredsløb ubegrænset af krystallinske symmetrier. Forskerne rapporterede resultater for passive enhedselementer, herunder bølgeledere og resonatorer sømløst integreret med konventionelle silicium-på-isolator bølgeledere og lodrette koblere. Den hyperuniform-forstyrrede platform forbedrede kompakthed og forbedret energieffektivitet samt temperaturstabilitet, sammenlignet med fotoniske silicium -enheder fremstillet på ribbe- og båndbølgeledere.

Akademisk og kommerciel indsats verden over inden for siliciumfotonik har ført til konstruktion af optisk datakommunikation på Terabit-skalaen til stadig lavere omkostninger for at imødekomme den hurtigt voksende efterspørgsel i datacentre. Eksplosiv vækst i cloud computing og underholdning-on-demand stiller stadig mere udfordrende omkostninger og energikrav til datatransmission, behandling og opbevaring. Optiske sammenkoblinger kan erstatte traditionelle kobberbaserede løsninger for at tilbyde et stadigt stigende potentiale for at minimere latenstid og strømforbrug, mens du maksimerer enhedernes båndbredde og pålidelighed. Silicon fotonik udnytter også storskala, komplementære metaloxidhalvleder (CMOS) fremstillingsprocesser til fremstilling af højtydende optiske transceivere med højt udbytte til lave omkostninger. Egenskaberne gør det muligt at anvende optiske transceivere (fiberoptisk teknologi til at sende og modtage data) i stigende grad overbevisende over kortere afstande.

For mere end tre årtier siden, fysiker Richard Soref identificerede silicium som et lovende materiale til fotonisk integration. Førende til den nuværende stadige udvikling og hurtige produktion af stadig mere komplekse fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er). Forskere kan integrere et stort antal massivt parallelle, kompakte, energieffektive optiske komponenter på en enkelt chip til cloud computing-applikationer fra dyb læring til kunstig intelligens og tingenes internet. Sammenlignet med det begrænsede omfang af kommercielle silicon fotoniske systemer, fotoniske krystal (PhC) -arkitekturer lover mindre enhedsstørrelser, selvom de tilbageholdes af layoutbegrænsninger pålagt af bølgelederkrav langs den fotoniske krystalakse. Indtil for nylig, fotoniske båndgab (PBG) strukturer, der effektivt styrer lys, var begrænset til fotoniske krystalplatforme. Nu, nyere klasser af PBG -strukturer omfatter fotoniske kvasikrystaller, hyperuniform uordnede faste stoffer (HUD'er) og lokale selvuniforme strukturer.

I det nuværende arbejde, Milošević et al. introducerede en HUD (hyperuniform uordnet solid) platform som et lokalt konstrueret fotonisk system og generisk arkitektur til fotoniske integrerede kredsløb. De demonstrerede HUD-platformens designfleksibilitet og indbyggede evne til problemfri integration i prædesignede optiske hulrum og bølgeledere. Silicon-on-isolator (SOI) HUD'erne har et stort potentiale i en lang række applikationer ved optisk kommunikationsbølgelængder. Sammenlignet med standard mikro-ringresonatorer (MRR'er) eller Mach-Zehnder-interferometre (MZI'er), HUD-resonatorer udviste mindre temperaturafhængig resonansbølgelængdeforskydning (TDRWS) og øget kompakthed. Resultaterne afslørede lovende udsigter for enhedsforbedring og lavere strømforbrug.

Teamet opnåede først et scanningselektronmikrograf (SEM) billede af et HUD-netværk fremstillet ved hjælp af elektronstråle litografi på en 220 nm høj, SOI wafer. Efterfulgt af begrænsede forskelle tidsdomænesimuleringer af transmissionsspektret til transmission elektrisk elektrisk polariseret lys gennem hyperuniforme netværk med en gennemsnitlig adskillelse på 500 nm og forskellige vægbredder. Milošević et al. afstemte den centrale bølgelængde af disse båndgap ved at ændre vægbredden på HUD'erne, og de brede båndgab gav dem mulighed for at dække et bølgelængdeområde på 1,50 til 1,58 mikrometer (µm), så netværkerne var velegnede til fotonisk kredsløbsdesign.

Forskerne designede og udviklede bølgeledere som en række in-line defekter ved at erstatte en række polygonformede luftceller langs ønskede stier med fyldt silicium. SEM -billederne af fremstillede SOI HUD -bølgeledere tillod en række optimeringsmetoder at øge transmissionen gennem bølgelederkanalen. For at minimere tilbagespredningstab, de optimerede bølgelederstrukturen via et-trins optimering, hvilket reducerede det indledende høje backscattering -tab væsentligt. Teamet observerede transmissionsspektret gennem HUD -bølgeledere før og efter optimering og transmission i fravær af bølgelederkanalen for eksperimentelt at verificere en forbedring på 17 dB ved omkring 1550 nm.

HUD -platformen understøttede et rigt sæt nye resonatordesigner, herunder resonanshulrum med symmetrier, der ikke er tilgængelige i fotoniske krystalstrukturer. HUD-platformen var også alsidig og fleksibel til nye typer hulrum og bølgelederdesign, der muliggjorde problemfri integration i topmoderne designs, samtidig med at en faktor af meget høj kvalitet (Q) opretholdes (signalkvalitet for en optisk kanal). Fremgangsmåden muliggjorde fordelagtigt, at enhver enhed kunne integreres med minimal indsats på den samme platform med fri form HUDsian beklædning, forudsat at forskerne arrangerede passende isolering af de forskellige komponenter. Baseret på simuleringer, de fandt ud af, at HUD -enhedens fodaftryk var lille, men Q -faktoren forblev stor.

Milošević et al. undersøgte derefter en elektrisk styret optisk modulator med et luftbro-resonanshulrum i en HUDS-struktur. Teamet havde hovedsageligt til formål at demonstrere HUD-platformens alsidighed for at integrere en række forskellige optiske komponenter, samtidig med at deres state-of-the-art ydeevne bevares. De registrerede både elektronfordelingstæthed og det lokale brydningsindeks som en funktion af bias -spændingerne i opsætningen. Forskergruppen justerede let elektronfordelingstætheden og det lokale brydningsindeks ved at anvende små spændinger.

De anvendte derefter en fremadrettet bias (strøm af større strøm i en retning) til opsætningen for at demonstrere transmittansspektrumskiftet mod en kortere bølgelængde. Resultaterne indebar det reducerede brydningsindeks for silicium som forventet for plasmadispersionseffekten. Forskerne forudsagde, at 0,48 V ville være tærskelspændingen for at betjene en modulator ved et 10 dB on/off -forhold og observerede lav effektdrift på grund af den lille størrelse og høje Q i resonanshulrummet.

På denne måde, Milan M. Milošević og kolleger demonstrerede eksperimentelle og simuleringsresultater af HUD (hyperuniform forstyrret fast) -integrerede enheder for at udforske HUD-funktionalitet som en fleksibel og kompakt platform til fotoniske integrerede kredsløb. De forbedrede fremstillingsprocessen for enheden for at reducere formeringstab og optimerede overgangen mellem HUD'er og bølgeledere ved hjælp af bredere bølgeledere og behandling efterfremstilling. Forskerne anvendte HUD'erne til at lette lysindeslutning i foruddefinerede PhC (fotoniske krystal) resonanshulrum og forbedre deres temperaturstabilitet.

Den iboende isotropi (ensartethed i alle retninger) af de nye uordnede PBG -materialer (fotonisk båndgab) viste potentiale for fotonisk enhedsdesign ved at tilbyde kompakthed, lavt strømforbrug og forbedret temperaturstabilitet. Enhederne tilbød også hidtil uset designfrihed uden begrænsninger af krystallinske strukturer eller periodicitet. Uordnede materialer karakter gjorde dem mindre følsomme over for fabrikationsfejl, sammenlignet med deres periodiske modparter. De HUD-baserede resonansanordninger demonstrerede en klar evne til at lede og lokalisere lys i det infrarøde område med lavt tab. HUD -enhederne gav nye byggesten til at designe mere komplekse systemer med passive og aktive enheder i halvledermaterialeplatforme, for nye muligheder i omkostningseffektivt øgede datahastigheder og datalagring.

© 2020 Science X Network