Вчені розширюють межі фотоніки

Всупереч загальноприйнятій думці вчені виявили новий механізм зв’язку, що включає режим витоку, який раніше вважався непридатним для інтеграції високої щільності в фотонних схемах. Це дивовижне відкриття прокладає шлях до щільної фотонної інтеграції, перетворюючи потенціал і масштабованість фотонних чіпів у таких сферах, як оптичні обчислення, квантовий зв’язок, виявлення світла та вимірювання дальності (LiDAR), оптична метрологія та біохімічне зондування.

У нещодавній  публікації Light Science & Application  Сангсік Кім, доцент кафедри електротехніки в Корейському передовому інституті науки та технологій (KAIST), і його студенти в Техаському технічному університеті продемонстрували, що анізотропна хвиля витоку може досягти нульових перехресних перешкод між близько розташованими ідентичними хвилеводами з використанням субхвильових решіток (SWG) метаматеріалів. Це протиінтуїтивне відкриття різко збільшує довжину зв’язку поперечно-магнітної (TM) моди, яка історично створювала проблеми через низьку обмеженість.

Це дослідження ґрунтується на їхніх попередніх дослідженнях метаматеріалів SWG для зменшення оптичних перехресних перешкод, включаючи контроль глибини скін-ефекту хвилі, що гасне, і винятковий зв’язок в анізотропному керованому режимі. SWG нещодавно досягли значних успіхів у фотоніці, створюючи різні високопродуктивні компоненти PIC. Однак проблеми з щільністю інтеграції залишаються для режиму TM, який демонструє приблизно в 100 разів більші перехресні перешкоди, ніж поперечно-електричний (TE) режим, що перешкоджає інтеграції мікросхем високої щільності.

«Наша група досліджувала SWG для щільної фотонної інтеграції, досягаючи значних покращень. Однак попередні підходи обмежувалися лише поляризацією TE. У фотонному чіпі існує ще одна ортогональна поляризація TM, яка може подвоїти ємність чіпа, і іноді є більш бажаною, ніж TE, наприклад, при вимірюванні миттєвого поля. TM складніше щільно інтегрувати, ніж TE, оскільки він зазвичай менш обмежений низьким співвідношенням ширини до висоти хвилеводу», – пояснив Кім.

Спочатку команда вважала, що неможливо зменшити перехресні перешкоди за допомогою SWG, оскільки вони очікували, що режим витоку посилить зв’язок між хвилеводами. Однак вони зосередилися на потенціалі анізотропного збурення з режимом витоку, припустивши, що перехресне скасування може бути досяжним.

Застосовуючи аналіз пов’язаних мод до модальних властивостей мод SWG із витоком, вони виявили унікальне анізотропне збурення з режимом, подібним до витоку, що призводить до нульових перехресних перешкод між близько розташованими ідентичними хвилеводами SWG. Використовуючи граничне моделювання Floquet, вони розробили практично реалізовані хвилеводи SWG на стандартній платформі кремній на ізоляторі (SOI), яка є легко доступною в промисловості, демонструючи чудове придушення перехресних перешкод і збільшену довжину зв’язку більш ніж на два порядки порівняно зі стрічковими хвилеводами.

Цей прорив також значно знижує рівень шуму в PIC, що потенційно впливає на квантовий зв’язок і обчислення, оптичну метрологію та біохімічне зондування. Крім того, дослідники підкреслили ширші наслідки своєї роботи, зазначивши, що цей новий механізм зв’язку можна поширити на інші інтегровані фотонічні платформи та режими довжин хвиль у видимому, середньому інфрачервоному та терагерцевому діапазонах за межами телекомунікаційного діапазону.

Цей дивовижний механізм зв’язку розширив потенціал для щільної фотонної інтеграції, кидаючи виклик загальноприйнятій думці та розсуваючи межі поля. Оскільки дослідження продовжуються, галузь фотоніки, ймовірно, побачить зсув до більш щільних, малошумних і ефективніших технологій PIC.