Оптика за преобразуване в чип за многомодови криви на вълноводни - ла комуникации
Субекти
Обобщение
Въведение
По принцип интермодалното смесване не възниква при многомодово разпространение в идеално прав вълновод, но когато се въведат криви (или други смущения в направляващата структура), смесването между режимите може да бъде значително. Всяко отклонение от правия път на вълновода ще предизвика възбуждане по много други начини, поради модалното несъответствие между прав и извит участък. Така създаденото модално припокриване би ограничило скоростта на предаване на данни, която този вълновод може да поддържа 1 .
Тук показваме маршрутизиращата сигнализация в свръхниска междурежимна свързана многомодова крива на вълновода, проектирана с помощта на трансформационна оптика (TO) 2, 3. Дизайнът се основава на кривината на виртуално пространство, съдържащо правия многомодов вълновод в крива 90 °, така че светлината да се движи по кривата, както би била в оригиналния прав вълновод, това е, с минимално свързване между режимите. Важно е да се отбележи, че не само е запазено модалното разпределение по кривата, но фазовата връзка между режимите също е ключов фактор за всяко приложение, чувствително към фаза.
Резултати
Модален обхват в многомодови вълноводи
Фигурата показва величината на магнитното поле на квадрат (| H | 2) за конвенционална многомодова крива, когато се възбужда с първите три режима на входния многомодов вълновод ( да се - ° С, съответно). Режимите на въвеждане (сини напречни сечения, в горните десни крайни точки) са свързани с много други режими, както се вижда от диаграмите на напречното сечение на изходите (червено, в долните ляви крайни точки). Вълноводите са с ширина 4 µm, а кривите имат радиус 78,8 µm. Симулациите бяха извършени с помощта на FEniCS 4 решател .
Изображение в пълен размер
Многомодов дизайн на крива чрез TO
Получената оптимизирана многомодова крива има ефективен радиус на кривина от 19,7 пъти ширината на вълновода. Използването на 4 µm широк вълновод води до радиус от 78,8 µm, който също използвахме в симулациите на фиг. 1 за сравнение. На фиг. 2 показваме първите три режима на разпространение на входящия вълновод, които се движат почти безпроблемно през оптимизираната крива. Профилът на ефективния индекс на оптимизираната крива може да се види на фиг. 3а.
Фигурата показва величината на магнитното поле на квадрат (| H | 2) за случаите, когато кривата се възбужда с първите три режима на входния многомодов вълновод ( да се - ° С, съответно). Режимите на въвеждане (сини напречни сечения, в горните десни крайни точки) се запазват по кривите, показвайки минимално свързване между режимите на изходите (червено, в долните леви крайни точки). Вълноводите са с ширина 4 μm, а кривите имат радиус 78,8 μm.
Изображение в пълен размер
Оптимизиран профил на показателя на пречупване ( да се ) за многомодовата гънка и съответната дебелина на силициевия слой ( б ) за изпълнение на лакътя. ( ° С ) Напречни сечения на показателя на пречупване и дебелина на профилите в крайните точки (синьо) и в центъра на кривата (червено). ( д ) Сканиращи изображения с електронна микроскопия на изработената градуирана крива на индекса (скала от 10 μm). Гладкостта, получена от нашия процес на сивата скала, може да се види на панела и, близки планове от вътрешната страна на кривата (скала 5 μm) и панела F, връзка с конвенционален многомодов вълновод на изхода (скала 4 μm). ( ж ) Сканиране на микроскоп с атомна сила на изработена крива, показваща профила на дебелината в силициевия слой.
Изображение в пълен размер
Производство на устройства с постепенно индексиране
Изработването на тази многомодова крива се осъществява чрез литография на електронно-лъчеви сиви скали върху силициева пластина върху изолатор с 3 µm заровен слой SiO2 и 500 nm Si слой. Ние създаваме необходимата неравномерна среда на индекс на пречупване, като използваме ефективния индекс на разпространение за нашата вертикална структура на плочата, състояща се от заровен слой SiO 2, слой Si Si 2, и слой SiO 2 облицовка, нанесен върху плазменото засилено химическо отлагане на пари. Ефективният индекс на разпространение на тази структура се контролира от дебелината на слоя Si 16, 17, 18, 19, 20, така че индексната карта на оптимизацията на ТО (фиг. 3а) се превръща в карта на дебелината, която трябва да се произведе чрез литография в сива скала (фиг. 3б). Литографията в сивата скала се осъществява чрез модулация на дозата за моделиране на фотонното устройство с вертикална разделителна способност
10 nm. Имайте предвид, че въпреки че подобни процеси се използват при производството на дифракционни оптични елементи, микроелектромеханични структури и лещи с по-нисък контрастен градуиран индекс 21, 22, 23, 24, 25 с относително слаби вариации на височината от 80 nm на разстояния от десетки микрони, в нашия случай процесът позволява силни вариации на височината от 400 nm за по-малко от 1 μm, като същевременно се поддържа прецизен контрол на профила на височината на съпротивлението в нанометрова скала. На фигура 3 е изобразено сивото шарково устройство с профил на гладка повърхност в Si.