Optică de transformare pe cip pentru curbe de ghid de undă multimodale - comunicații
Subiecte
rezumat
Introducere
În principiu, amestecarea intermodală nu are loc pentru propagarea multimodului într-un ghid de undă perfect drept, dar când sunt introduse curbe (sau alte perturbații în structura de ghidare), amestecul între moduri poate fi semnificativ. Orice abatere de la calea dreaptă a ghidului de undă va provoca excitație în multe alte moduri, datorită nepotrivirii modale între secțiunile drepte și curbe. Suprapunerea modală astfel creată ar limita rata de date pe care acest ghid de undă o poate suporta 1 .
Aici vom arăta semnalizarea de rutare într-o curbă de ghid de undă multimod cuplare intermodă ultra-joasă proiectată utilizând optica de transformare (TO) 2, 3. Proiectarea se bazează pe curbura unui spațiu virtual care conține ghidul de undă multimod drept într-o curbă de 90 °, astfel încât lumina să se deplaseze de-a lungul curbei ca în ghidul de undă drept original, adică cu cuplarea minimă între moduri. Este important de reținut că nu numai că se păstrează distribuția modală de-a lungul curbei, dar relația de fază dintre moduri este, de asemenea, un factor cheie pentru orice aplicație sensibilă la fază.
Rezultate
Gama modală în ghiduri de undă multimodale
Figura arată magnitudinea câmpului magnetic pătrat (| H | 2) pentru o curbă multimodă convențională atunci când este excitată cu primele trei moduri ale ghidului de undă multimod de intrare ( la - c, respectiv). Modurile de intrare (secțiuni transversale albastre, la punctele de capăt din dreapta sus) sunt cuplate la multe alte moduri, după cum demonstrează diagramele secțiunilor transversale la ieșiri (roșu, la punctele de capăt din stânga jos). Ghidurile de undă au o lățime de 4 µm, iar curbele au o rază de 78,8 µm. Simulările au fost efectuate cu ajutorul solverului FEniCS 4 .
Imagine la dimensiune completă
Proiectare curbă multimod prin TO
Curba multimod optimizată obținută are o rază efectivă de curbură de 19,7 ori lățimea ghidului de undă. Utilizarea unui ghid de undă de 4 µm are ca rezultat o rază de 78,8 µm, pe care am folosit-o și în simulările din Fig. 1 pentru comparație. În Fig. 2, prezentăm primele trei moduri de propagare a ghidului de undă de intrare care se deplasează aproape fără probleme prin curba optimizată. Profilul index efectiv al curbei optimizate poate fi văzut în Fig. 3a.
Figura arată magnitudinea câmpului magnetic pătrat (| H | 2) pentru cazurile în care curba este excitată cu primele trei moduri ale ghidului de undă multimod de intrare ( la - c, respectiv). Modurile de intrare (secțiuni transversale albastre, la punctele finale din dreapta sus) sunt păstrate de-a lungul curbelor, arătând cuplarea minimă între moduri la ieșiri (roșu, la punctele finale din stânga jos). Ghidurile de undă au o lățime de 4 μm, iar curbele au o rază de 78,8 μm.
Imagine la dimensiune completă
Profilul indexului de refracție optimizat ( la ) pentru pliul multimod și grosimea respectivă a stratului de siliciu ( ) pentru a implementa cotul. ( c ) Secțiuni transversale ale indicelui de refracție și grosimea profilelor la punctele finale (albastru) și la centrul curbei (roșu). ( d ) Imagini cu microscopie electronică de scanare a curbei indexului gradat fabricat (scara de 10 μm). Netezimea obținută prin procesul nostru în tonuri de gri poate fi văzută pe panou și, prim-planuri ale interiorului curbei (scara de 5 μm) și ale panoului F, conexiune cu un ghid de undă multimod convențional la ieșire (scară de 4 μm). ( g ) Scanare la microscop cu forță atomică a unei curbe fabricate, care arată profilul grosimii în stratul de siliciu.
Imagine la dimensiune completă
Fabricarea dispozitivelor cu index gradual
Fabricarea acestei curbe multimodale se realizează prin litografie cu fascicul de electroni în tonuri de gri, pe o placă de siliciu pe izolator cu un strat de SiO 2 îngropat de 3 µm și un strat de Si de 500 nm. Creăm mediul indicativ de refracție neuniform necesar, folosind indicele de propagare efectiv pentru structura noastră verticală a plăcii, compus din stratul de SiO 2 îngropat, stratul de ghidare Si și un strat de placare SiO 2 depus peste depunerea chimică cu vapori îmbunătățită cu plasmă. Indicele de propagare efectiv al acestei structuri este controlat de grosimea stratului de Si 16, 17, 18, 19, 20, astfel încât harta index a optimizării TO (Fig. 3a) este tradusă într-o hartă a grosimii care urmează să fie fabricată. prin litografie în tonuri de gri (fig. 3b). Litografia în tonuri de gri se realizează prin modularea dozei pentru modelarea dispozitivului fotonic cu rezoluție verticală de
10 nm. Rețineți că, deși procese similare sunt utilizate în fabricarea elementelor optice difractive, a structurilor microelectromecanice și a lentilelor cu un indice gradat de contrast mai mic 21, 22, 23, 24, 25 cu variații de înălțime relativ slabe de 80 nm la distanțe de zeci de microni, în cazul nostru, procesul permite variații puternice ale înălțimii de 400 nm în mai puțin de 1 μm, menținând în același timp un control precis al profilului de înălțime a rezistenței pe scara nanometrică. Figura 3 prezintă dispozitivul modelat în tonuri de gri cu un profil de suprafață netedă în Si.