Щелевой волновод - Slot-waveguide

А щелевой волновод является оптический волновод что направляет сильно ограниченный свет в суб-длина волны -шкала низкая показатель преломления регион по полное внутреннее отражение.

Щелевой волновод состоит из двух полос или пластин с высоким показателем преломления (nЧАС) материалы, разделенные субволновой шкалой с низким показателем преломления (nS) области щели и окружены областью с низким показателем преломления (nC) облицовочные материалы.

Схема двумерного щелевого волновода. Свет распространяется в направлении оси z
Схема трехмерного щелевого волновода. Свет распространяется в направлении оси z

Принцип действия

Принцип работы щелевого волновода основан на неоднородности электрическое поле (E-поле) на интерфейсах с высоким показателем преломления и контрастом. Уравнения Максвелла утверждают, что для обеспечения непрерывности нормальной составляющей электрическое поле смещения D на границе раздела соответствующее E-поле должно претерпевать скачок с большей амплитудой на стороне с низким показателем преломления. То есть на границе между двумя регионами диэлектрические постоянные εS и εЧАСсоответственно:

DSN= DЧАСN
εSESN= εЧАСEЧАСN
пS2ESN= пЧАС2EЧАСN

где верхний индекс N указывает на нормальные компоненты D и E векторные поля. Таким образом, если nS<< пЧАС, то ESN>> EЧАСN.

Профиль электронного поля двумерного щелевого волновода. E-вектор параллелен оси y
Распределение электронного поля трехмерного щелевого волновода. Основная компонента электронного поля параллельна оси x

Учитывая, что критический размер паза (расстояние между плитами или полосами с высоким показателем преломления) сопоставим с экспоненциальный спад длина основного собственная мода В волноводной структуре результирующее электрическое поле, нормальное к интерфейсам с высоким показателем контрастности, усиливается в прорези и остается высоким в нем. Плотность мощности в слоте намного выше, чем в регионах с высоким индексом. Поскольку распространение волн происходит за счет полного внутреннего отражения, интерференционный эффект отсутствует, а щелевая структура имеет очень низкую чувствительность к длине волны.[1]

Изобретение

Щелевой волновод родился в 2003 году как неожиданный результат теоретических исследований металл -окись -полупроводник (MOS) электрооптический модуляция в строгом заключении кремний фотонный волноводы Вильсона Роса де Алмейда и Карлоса Ангуло Барриоса, затем доктора философии. студент и постдокторант, соответственно, в Корнелл Университет. Теоретический анализ [1] и экспериментальная демонстрация [2] первого щелевого волновода, реализованного в Si / SiO2 Исследователи из Корнелла в 2004 году сообщили о системе материалов на рабочей длине волны 1,55 мкм.

После этих новаторских работ было предложено и продемонстрировано несколько волноводных конфигураций, основанных на концепции щелевого волновода. Соответствующие примеры:

В 2005 году исследователи из Массачусетский Институт Технологий предложили использовать несколько щелевых областей в одной волноводной структуре (многощелевом волноводе) 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 г. волноводно-щелевой подход был распространен на терагерц диапазон частот исследователями RWTH Ахенский университет.[5] Исследователи из Калифорнийский технологический институт также продемонстрировали, что щелевой волновод в сочетании с нелинейным электрооптические полимеры, могут быть использованы для создания кольцевых модуляторов с исключительно высокой настраиваемостью.[6] Позже этот же принцип позволил Baehr-Jones et al. продемонстрировать модулятор Мах-Цендера с исключительно низким напряжением возбуждения 0,25 В[7][8]

В 2007 г. непланарная реализация принципа работы щелевого волновода была продемонстрирована исследователями Университет Бата. Они показали концентрацию оптической энергии в воздушной дыре субволнового масштаба, проходящей по длине фотонно-кристаллическое волокно.[9]

Недавно, в 2016 году, показано [10] то, что прорези в паре волноводов, если они смещены друг от 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. Также численно продемонстрирован гибридный щель (с вертикальной щелью в одном волноводе и горизонтальной щелью в другом) поляризационный делитель луча с помощью поляризации. Хотя потери высоки для таких структур слотов, эта схема, использующая асимметричные слоты, может иметь потенциал для разработки очень компактных оптических направленных ответвителей и поляризационных светоделителей для встроенных в кристалл оптических устройств.

Изгиб щелевого волновода - еще одна структура, необходимая для конструкции волновода нескольких интегрированных устройств микро- и нанооптики. Одним из преимуществ изгибов волноводов является уменьшение занимаемой площади устройства. Существует два подхода, основанных на подобии ширины кремниевых рельсов для формирования резкого изгиба в щелевом волноводе: симметричный и асимметричный щелевые волноводы. [11].

Изготовление

Плоские щелевые волноводы были изготовлены из различных систем материалов, таких как Si / SiO.2[2][12][13] и Si3N4/ SiO2.[14] Как вертикальная (плоскость прорези перпендикулярна плоскости подложки), так и горизонтальная (плоскость прорези параллельна плоскости подложки) были реализованы с использованием традиционных методов микро- и нанопроизводства. Эти инструменты обработки включают электронно-лучевая литография, фотолитография, химическое осаждение из паровой фазы [обычно химическое осаждение из паровой фазы под низким давлением (LPCVD) или плазменное 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 осаждения тонких пленок или термическим окислением. Осаждение или окисление тонких пленок обеспечивает лучший контроль размеров слоев и более гладкую поверхность раздела между материалами с высоким показателем контрастности, чем методы литографии и сухого травления. Это делает горизонтальные щелевые волноводы менее чувствительными к рассеивающим оптическим потерям из-за шероховатости границы раздела, чем вертикальные конфигурации.

Изготовление неплоской (на основе волокна) конфигурации щелевого волновода также было продемонстрировано с помощью обычных микроструктурированных оптоволокно технологии.[9]

Приложения

Щелевой волновод создает большую амплитуду электрического поля, оптическая сила, и оптический интенсивность в материалах с низким коэффициентом преломления 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 полностьюоптическое переключение,[15] оптическое усиление [16][17] и оптическое обнаружение [6] по интегральной фотонике. Сильное ограничение электрического поля может быть локализовано в нанометр -масштабный малоиндексный регион. Как впервые указано в,[1] щелевой волновод можно использовать для значительного увеличения чувствительности компактных оптическое зондирование устройства [18][19][20][21][22][23][24] или для повышения эффективности оптика ближнего поля На терагерцовых частотах был разработан разветвитель на основе щелевого волновода, который обеспечивает распространение терагерцовых волн с низкими потерями. Устройство действует как разветвитель, благодаря которому максимальная пропускная способность может быть достигнута путем регулирования отношения длины плеча входа к стороне выхода.[25]

использованная литература

  1. ^ а б c Almeida, Vilson R .; Сюй Цяньфань; Барриос, Карлос А .; Липсон, Михал (01.06.2004). «Направляющий и ограничивающий свет в пустой наноструктуре». Письма об оптике. Оптическое общество. 29 (11): 1209–11. Дои:10.1364 / ол.29.001209. ISSN  0146-9592. PMID  15209249.
  2. ^ а б Сюй Цяньфань; Almeida, Vilson R .; Панепуччи, Роберто Р .; Липсон, Михал (2004-07-15). «Экспериментальная демонстрация направляющего и ограничивающего света в нанометровом материале с низким показателем преломления». Письма об оптике. Оптическое общество. 29 (14): 1626–8. Дои:10.1364 / ол.29.001626. ISSN  0146-9592. PMID  15309840.
  3. ^ Feng, N.-N .; Michel, J .; Кимерлинг, Л. (2006). «Концентрация оптического поля в малоиндексных волноводах». Журнал IEEE по квантовой электронике. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 42 (9): 883–888. Дои:10.1109 / jqe.2006.880061. ISSN  0018-9197. S2CID  46700811.
  4. ^ Сун, Ронг; Донг, По; Фэн, Нин-нин; Хун, Цзин-инь; Мишель, Юрген; Липсон, Михал; Кимерлинг, Лайонел (2007). «Горизонтальные волноводы с одной и несколькими щелями: оптическое пропускание на λ = 1550 нм». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 15 (26): 17967–72. Дои:10.1364 / oe.15.017967. ISSN  1094-4087. PMID  19551093.
  5. ^ Нагель, Майкл; Марчевка, Астрид; Курц, Генрих (2006). "Малоиндексные несплошные волноводы терагерцового диапазона". Оптика Экспресс. Оптическое общество. 14 (21): 9944. Дои:10.1364 / oe.14.009944. ISSN  1094-4087. PMID  19529388.
  6. ^ а б Baehr-Jones, T .; Hochberg, M .; Ван, Гуанси; Lawson, R .; Liao, Y .; Салливан, П. А .; Dalton, L .; Jen, A.K.-Y .; Шерер, А. (2005). «Оптическая модуляция и обнаружение в щелевых кремниевых волноводах». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 13 (14): 5216-5226. Дои:10.1364 / опекс.13.005216. ISSN  1094-4087.
  7. ^ Бэр-Джонс, Том; Пеньков, Боян; Хуанг, Цзинцин; Салливан, Фил; Дэвис, Джошуа; и другие. (2008-04-21). «Нелинейный кремниевый щелевой волноводный модулятор в полимерной оболочке с полуволновым напряжением 0,25 В». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 92 (16): 163303. Дои:10.1063/1.2909656. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Витценс, Джереми; Бэр-Джонс, Томас; Хохберг, Майкл (26.07.2010). "Проектирование щелевых волноводов, управляемых линией передачи, и применение в аналоговых оптических линиях связи".. Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (16): 16902-16928. Дои:10.1364 / oe.18.016902. ISSN  1094-4087. PMID  20721082.
  9. ^ а б Wiederhecker, G.S .; Cordeiro, C.M.B .; Каунти, Ф .; Benabid, F .; Maier, S.A .; и другие. (2007). «Усиление поля в оптическом волокне с субволновым воздушным сердечником». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 1 (2): 115–118. Дои:10.1038 / nphoton.2006.81. ISSN  1749-4885.
  10. ^ Халдар, Рактим; Мишра, V; Датт, Авик; Варшней, Шайлендра К. (09.09.2016). «Встроенные в микросхемы широкополосные сверхкомпактные оптические элементы связи и поляризационные делители на основе смещенных и несимметричных щелевых волноводов из кремниевой проволоки». Журнал оптики. IOP Publishing. 18 (10): 105801. Дои:10.1088/2040-8978/18/10/105801. ISSN  2040-8978.
  11. ^ Ат-Тарауни, Мусаб А. М .; Бакар, А. Ашриф А .; Zain, Ahmad Rifqi Md .; Таравне, Муад А .; Ахмад, Сахрим Хдж. (2019-02-08). «Повышение эффективности изгиба волновода в виде ленты и паза на 180 градусов для интегрированного модулятора оптического волновода». Оптическая инженерия. SPIE-Intl Soc Optical Eng. 58 (2): 027104. Дои:10.1117 / 1.oe.58.2.027104. ISSN  0091-3286. S2CID  126965871.
  12. ^ Бэр-Джонс, Том; Хохберг, Майкл; Уокер, Крис; Шерер, Аксель (21 февраля 2005 г.). «Высокодобротные оптические резонаторы в щелевых волноводах на основе кремния на изоляторе». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 86 (8): 081101. Дои:10.1063/1.1871360. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Schrauwen J., Van Lysebettens J., Vanhoutte M., Van Thourhout D. et al., «Йодное травление кремния сфокусированным ионным пучком для модификации и создания прототипов фотонных устройств (2008)», Международный семинар по FIB для фотоники, 1-е, Труды (2008)
  14. ^ Barrios, C.A .; Sánchez, B .; Gylfason, K. B .; Гриоль, А .; Sohlström, H .; Holgado, M .; Каскель, Р. (2007). «Демонстрация щелевых волноводных структур на платформе нитрид кремния / оксид кремния». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 15 (11): 6846–56. Дои:10.1364 / oe.15.006846. ISSN  1094-4087. PMID  19546997.
  15. ^ Барриос, К.А. (2004). «Высокопроизводительный полностью оптический кремниевый микропереключатель». Письма об электронике. Институт инженерии и технологий (IET). 40 (14): 862-863. Дои:10.1049 / el: 20045179. ISSN  0013-5194.
  16. ^ Барриос, Карлос Ангуло; Липсон, Михал (2005). «Кремниевый резонансный светоизлучающий прибор с электрическим приводом на основе щелевого волновода». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 13 (25): 10092-10101. Дои:10.1364 / opex.13.010092. ISSN  1094-4087. PMID  19503222.
  17. ^ А. Армароли, А. Моран, П. Бенеч, Дж. Белланка, С. Трилло, «Сравнительный анализ плоского щелевого микродискового резонатора», Lightwave Technology, Journal of, vol.27, No. 18, pp.4009,4016 , 15 сентября 2009 г.
  18. ^ Барриос, Карлос Ангуло (2006). «Сверхчувствительный наномеханический фотонный датчик на основе горизонтального щелевого волноводного резонатора». Письма IEEE Photonics Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 18 (22): 2419–2421. Дои:10.1109 / lpt.2006.886824. ISSN  1041-1135. S2CID  32069322.
  19. ^ Барриос, Карлос А .; Gylfason, Kristinn B .; Санчес, Бенито; Гриоль, Амадеу; Sohlström, H .; Holgado, M .; Каскель, Р. (17 октября 2007 г.). «Щелевой волноводный биохимический датчик». Письма об оптике. Оптическое общество. 32 (21): 3080-3082. Дои:10.1364 / ол.32.003080. ISSN  0146-9592. PMID  17975603.
  20. ^ Делль'Олио, Франческо; Пассаро, Витторио М. (2007). «Оптическое зондирование с помощью оптимизированных кремниевых щелевых волноводов». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 15 (8): 4977-4993. Дои:10.1364 / oe.15.004977. ISSN  1094-4087.
  21. ^ Барриос, Карлос А .; Баньюльс, Мария Хосе; Гонсалес-Педро, Виктория; Gylfason, Kristinn B .; Санчес, Бенито; и другие. (2008-03-28). «Оптический биосенсор без метки со щелевыми волноводами». Письма об оптике. Оптическое общество. 33 (7): 708–10. Дои:10.1364 / ol.33.000708. ISSN  0146-9592. PMID  18382525.
  22. ^ Робинсон, Джейкоб Т .; Чен, Лонг; Липсон, Михал (13 марта 2008 г.). «Встроенное обнаружение газа в кремниевых оптических микрополостях». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 16 (6): 4296–301. Дои:10.1364 / oe.16.004296. ISSN  1094-4087. PMID  18542525.
  23. ^ Витценс, Джереми; Хохберг, Майкл (29 марта 2011 г.). «Оптическое обнаружение агрегации наночастиц, вызванной целевой молекулой, с помощью высокодобротных резонаторов». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 19 (8): 7034-7061. Дои:10.1364 / oe.19.007034. ISSN  1094-4087. PMID  21503017.
  24. ^ Гош, Сувик; Рахман, Б.М.А. (2017). «Инновационный прямой резонатор с вертикальной прорезью в качестве эффективного биохимического датчика» (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 23 (2): 132–139. Дои:10.1109 / jstqe.2016.2630299. ISSN  1077–260X. S2CID  10903140.
  25. ^ Пандей, Шашанк; Кумар, Гаган; Нахата, Аджай (22 октября 2010 г.). «Щелевые волноводные разветвители для широкополосного терагерцового излучения». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (22): 23466–71. Дои:10.1364 / oe.18.023466. ISSN  1094-4087. PMID  21164689.