Блог

May 31, 2023

Эффективное снижение перекрестных помех MIR на основе кремния

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 7233 (2023) Цитировать эту статью 492 Доступ к метрикам Подробности Уменьшение перекрестных помех (CT) между соседними фотонными компонентами по-прежнему остается большой проблемой.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7233 (2023) Цитировать эту статью

492 доступа

Подробности о метриках

Уменьшение перекрестных помех (CT) между соседними фотонными компонентами по-прежнему остается большой проблемой при изготовлении фотонных интегральных схем (PIC) с высокой плотностью упаковки. В последние годы было предложено немного методов достижения этой цели, но все они применяются в ближнем ИК-диапазоне. В этой статье мы впервые, насколько нам известно, сообщаем о проекте реализации высокоэффективного снижения CT в режиме MIR. Сообщаемая структура основана на платформе кремний-на-фториде кальция (SOCF) с однородными полосками Ge/Si. Использование полосок Ge обеспечивает лучшее снижение ТТ и большую длину связи (Lc), чем традиционные устройства на основе Si, в широкой полосе пропускания в MIR-диапазоне. Влияние добавления различного количества полос Ge и Si разных размеров между двумя соседними Si-волноводами на Lc и, следовательно, на CT анализируется с использованием как полновекторного метода конечных элементов, так и трехмерного метода конечных разностей во временной области. При использовании полосок Ge и Si получено увеличение Lc на 4 порядка и в 6,5 раза по сравнению с бесполосковыми Si-волноводами. Следовательно, показано подавление перекрестных помех на уровне – 35 дБ и – 10 дБ для полосок Ge и Si соответственно. Предложенная структура полезна для нанофотонных устройств с высокой плотностью упаковки в режиме MIR, таких как переключатели, модуляторы, сплиттеры и мультиплексоры с разделением по длине волны (демультиплексоры), которые важны для интегральных схем связи MIR, спектрометров и датчиков.

За последние несколько десятилетий, благодаря быстрому развитию технологий нанофотоники, кремниевая фотоника приобрела большой интерес благодаря ее совместимости с технологией комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП)1. Область длин волн МИК (от 2 до 10 мкм) предлагает множество практических применений. Следовательно, это стало горячей темой исследований для науки и промышленности. Спектральный диапазон MIR, также называемый спектром «молекулярного отпечатка пальца», содержит значительные вращающиеся, вибрирующие и поглощающие пики для большинства молекул со спектральной интенсивностью, которая в тысячи раз превышает интенсивность, соответствующую ближней ИК-области2. Таким образом, режим МИР контролирует различные приложения, включая биологическое и химическое зондирование3, обнаружение газов4, медицинскую диагностику, тепловидение5, мониторинг загрязнения окружающей среды2, здравоохранение и контроль промышленных процессов6,7. Эти выдающиеся особенности режима МИР привлекают исследователей к разработке компонентов/устройств кремниевой фотоники, таких как соединители8, волноводы5, фотодетекторы9, кольцевые резонаторы10, модуляторы11 и датчики4. В фотонике МИР германий считается одним из важнейших материалов по нескольким причинам12. В этом контексте Ge имеет широкий диапазон прозрачности до 16,7 мкм13, высокую плотность свободных носителей заряда14 и большой показатель преломления (n = 4)15. Таким образом, в сочетании с материалом с низким индексом, таким как фторид кальция (CaF2), достигается высокий контраст. В 2012 году был обнаружен первый волновод МИР «Германий-на-кремнии» (Ge-on-Si)16, затем были представлены волноводы с низкими потерями (менее 1 дБ/см)17. Кроме того, Ge-on-CaF2 использовался в качестве эффективной платформы для оптических волноводов18.

В платформах кремний/германий на изоляторе (S/GOI) удержание света на небольшой площади может быть легко достигнуто благодаря высокой значительной асимметрии показателя преломления сердцевины (например, Si, Ge) и ее оболочки или подложки (например, , SiO2, воздух). Платформа SOI позволяет создавать несколько сверхкомпактных и высокопроизводительных фотонных компонентов, используемых в PIC19. Однако плотность упаковки PIC по-прежнему низка, что является серьезным препятствием на пути разработки крупномасштабных, недорогих и многослойных гибридных интегральных схем.

Недавно появились сообщения о новых подходах к улучшению плотной интеграции ПОС. В этом отношении плазмонные волноводы20, металло-диэлектрические гибридные структуры21 и структуры на основе метаматериалов могут быть использованы для уменьшения занимаемой площади устройств22. При проектировании ПОС необходимо учитывать влияние волноводов друг на друга. Это происходит из-за перекрытия мод между соседними волноводами, что приводит к некоторой связи и ТТ между волноводами. Однако когда оптические моды сильно ограничены, перекрытие и КТ между волноводами слабы и незначительны. В результате ТТ считается важным фактором плотности упаковки оптических волноводов и устройств. Поэтому в последние годы были разработаны различные методы уменьшения перекрестных помех, такие как нанофотонная маскировка23 ​​и волноводные сверхрешетки24. Результаты показывают, что большинство методов снижения трансформаторного тока были получены на длинах волн телекоммуникаций 1,3 мкм и 1,55 мкм. Кроме того, в оптический волновод были введены субволновые кремниевые полоски и решетки для управления направленным светом в PIC25,26. Следовательно, в последние годы появились компактные связанные волноводные устройства27. Хаваси и др.25 добавили две субволновые полосы между двумя соседними волноводами, где полностью диэлектрические метаматериалы генерировали сильно ограниченную моду. Таким образом, происходит заметное увеличение Lc по сравнению со случаем без полосок25. Lc увеличивается на два порядка за счет добавления трех кремниевых полосок между двумя соседними волноводами по сравнению со случаем без полосок. Ю и др. получили численные результаты при той же длине волны и размере волноводов28. Более того, Ян и др. улучшили Lc на три порядка больше, чем получено в 28, путем введения трех неоднородных полос Si между двумя волноводами 29. Стоит отметить, что все вышеупомянутые исследования работали в ближнем ИК-диапазоне, а именно на λ = 1,55 мкм, на основе введения кремниевых полосок или решетки между стандартными волноводами КНИ.