Ultratrumpas plačiajuosčio ryšio poliarizacijos pluošto skirstytuvas, pagrįstas kombinuotu hibridiniu plazmoniniu bangolaidžiu | mokslinės ataskaitos

Ultratrumpas plačiajuosčio ryšio poliarizacijos pluošto skirstytuvas, pagrįstas kombinuotu hibridiniu plazmoniniu bangolaidžiu | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Nanofotonika ir plazmonika
  • Subbangos ilgio optika

Anotacija

Siūlome ultrakompaktą plačiajuosčio ryšio poliarizacijos pluošto skirstytuvą (PBS), kurio pagrindą sudaro kombinuotas hibridinis plazmoninis bangolaidis (HPW). Siūlomas PBS atskiria skersinius elektrinius (TE) ir skersinius magnetinius (TM) režimus, naudodamas atitinkamai sulenktą apatinį HPW su vertikaliais nanoskalės tarpais ir tiesią viršutinę HPW su horizontaliu nanoskalės tarpu, nesiremdamas į papildomą sukabinimo sritį. Ši konstrukcija žymiai sumažina PBS ilgį iki submikronų skalės (920 nm, trumpiausias iki šiol praneštas PBS), tuo pačiu pasiūlant ~ 19 dB (~ 18 dB) poliarizacijos ekstinkcijos koeficientus (PER) ir ~ 0, 6 įterpimo nuostolius (IL). dB (~ 0, 3 dB) TE (TM) režimui ypač plačioje 400 nm juostoje (nuo λ = 1300 nm iki 1700 nm, dengiant visiškai antrą ir trečią telekomunikacijų langus). Suprojektuoto PBS ilgį galima dar sumažinti iki 620 nm, vis tiek pasiūlant 15 dB PER, užtikrinant tankiai fotoninę integruotą grandinę. Atsižvelgiant į pagaminimo toleranciją, suprojektuotas PBS leidžia pasiekti didelius geometrinius nuokrypius (± 20 nm), tuo pat metu ribojant PER pokyčius iki 1 dB, išskyrus tuos, kurie yra mažesniuose kaip 10 nm nanodalelių atotrūkyje. Be to, mes taip pat atsižvelgiame į siūlomo PBS įvesties ir išeigos jungimo efektyvumą.

Įvadas

Siekiant patenkinti vis didėjančius optinių ryšių sistemų perdavimo poreikius, poliarizacijos dalijimasis multipleksavimas (PDM) vaidina lemiamą vaidmenį manipuliuojant optiniais signalais, skirtais fotoninių integrinių schemų (PIC) 1, 2, 3, 4, 5 . Poliarizacijos pluošto skaldytuvai (PBS), kurie atskiria skersinius elektrinius (TE) ir skersinius magnetinius (TM) režimus, yra pagrindiniai PDM 4 komponentai ir leidžia du polarizacijos režimus apdoroti nepriklausomai, dvigubai padidindami srauto pralaidumą. Daugybė kriterijų, naudojamų vertinant PBS, yra įrenginio matmenys, poliarizacijos išnykimo santykiai (PER), įterpimo nuostoliai (IL), veikimo pralaidumas, pagaminimo tolerancijos ir struktūros sudėtingumas. Tarp jų, norint sukurti nuoseklius imtuvus, pageidautina sumažinti PBS matmenis, išlaikant patenkinamą įrenginio veikimą, ir tai yra nepaprastai svarbu kuriant naujos kartos labai tankius PIC. Bėgant metams, daugelio rūšių PBS 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 , Buvo pranešta, kad 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 buvo naudojami įvairūs dizainai ir į kuriuos buvo įtraukti adiabatinio režimo evoliucijos (AME) įtaisai 6, 7, kryptiniai sujungikliai (DC) 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, multimode interferencijos (MMI) įtaisai 21, 22, 23, 24, 25, Mach – Zehnder interferometrai (MZI) 26, 27, 28, fotoninių kristalų (PhC) 29, 30, 31 ir grotelių 31, 32, 33 struktūros. Dauguma PBS 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 28, 32, 33, 34 priėmė silicį -izoliatorių (SOI) platformos, siekiant efektyviai sumažinti įrenginio matmenis, panaudojant aukšto indekso kontrastines šių platformų savybes.

Norint pasiekti patenkinamą PER, AME pagrįsti PBS 6, 7 turi būti labai ilgi (> 200 μm) dėl lėtai besikeičiančios geometrijos, tačiau jie turi ne tokius griežtus gamybos tolerancijos ir plačiajuosčio ryšio veikimo reikalavimus. Nors nuolatinės srovės pagrindu veikiančių PBS prietaisų ilgis 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 gali būti sumažintas nuo kelių iki dešimčių mikrometrų su pagrįstomis PER (10–20). dB), pralaidumo diapazonai yra siauresni nei AME pagrįstų PBS, nes reikalaujama naudoti fazių suderinimo režimus su tiksliai suderinta jungtimi. MMI pagrindu pagamintos PBS 21, 22, 23, 24, 25 turi paprastesnį pagaminimo procesą ir didesnį pagaminimo toleranciją nei tos, kurios yra AME pagrindu pagamintų PBS; tačiau įprastų MMI įtaisų 35, 36 matmenys nustatomi pagal bendrą vaizdinių vaizdų ilgio, kartojančio 37 TE ir TM režimus, skaičių, gaunant labai ilgus prietaisus (> 1000 μm). Neseniai pranešta, kad norint sutrumpinti MMI pagrįstų PBS ilgį, pateikiami kai kurie novatoriški projektai, įskaitant dviejų režimų trukdžius 21 (~ 8, 8 μm), 2 × 2 dviejų režimų trukdžius 22 (~ 0, 94 μm tik MMI sekcijos ilgiui), kitus. nei visas PBS, įvesties ir išvesties dalių ilgiai turėtų būti įskaičiuoti), įdėtas į metalą – izoliatorių – metalą (MIM) 22 (~ 44 μm), hibridinis plazmoninis bangolaidis (HPW) 24 (~ 2, 5 μm) ir kaskadinis 25 (<950 μm) MMI. Iki šiol trumpiausias praneštas PBS buvo gautas MMI, naudojant hibridinį plazmoninį bangolaidį (HPW) 24 ir pasiekiantį submikrono ilgį, kai PER> 10 dB per 80 nm juostos plotį. MZI pagrindu gaminami PBS 26, 27, 28, be to, kad jiems reikalingos labai dvipusės medžiagos, prietaisų ilgis buvo per ilgas (300–3000 μm). Kitos parinktys, kurias naudojant prietaiso ilgis gali būti dešimtys mikrometrų, yra įrenginiai, kuriuose naudojami 29–30, 31 PhC pagrindu pagaminti PBS ir 32, 33, 34 grotelių pagrindu sukurti PBS . Pirmųjų trūkumai yra gamybos sudėtingumas ir palyginti dideli nuostoliai dėl išsibarstymo; pastaruosius, be to, kad jie turi panašiai sudėtingą gamybos procesą, taip pat sunku integruoti į IPS.

Tarp minėtų PBS 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, DC pagrindu gaminami PBS 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 tapo populiariausiais, dėl savo konstrukcinio paprastumo, patenkinamų eksploatacinių savybių ir skirtingo dizaino. DC pagrindu veikiančiame PBS, vienas pasirinktas režimas yra atskirtas naudojant evanescencinį lauką, jungiantį su skersine juosta, o likęs režimas sklinda tiesiai išilgai skersinės juostos. Teoriškai parenkant medžiagas, priklausančias nuo poliarizacijos, naudinga pagerinti PER ir sutrumpinti jungties ilgį, todėl dažnai naudojama aukšto indekso kontrasto SOI platforma 8, 9, 11, 15, 17, 20 . Be to, kad naudojami aukšto indekso kontrastiniai dielektrikai, metalai pasižymi stipresniu dvibrandrumu, kurį sukelia patrauklūs paviršiaus plazmono polaritono (SPP) režimai 38, kurių didžioji dalis elektrinio lauko turi būti statmena metalo paviršiui. Be to, SPP režimų, kurie pažeidžia difrakcijos ribą 38, ribojimas taip pat yra naudingas, nes tai žymiai pagerina fotoninių įtaisų 39, 40, 41, 42 integracijos laipsnį. Tačiau SPP režimų būdingi ohminiai nuostoliai yra daug didesni nei dielektriko valdomų režimų.

Atsižvelgiant į kompromisą tarp režimo ribos ir sklidimo praradimo, siekiant žymiai sumažinti omų nuostolius, buvo pasiūlyta HPW struktūra 43, 44, 45, 46, 47, sudaryta iš mažo indekso tarpo sluoksnio tarp didelio indekso dielektriko ir metalo. formuojant hibridinį plazmoninį režimą, sujungiant gryną SPP režimą ir dielektrinį bangolaidžio režimą. Dėl to pastaruoju metu buvo pranešta apie daugybę DC pagrindu pagamintų PBS, naudojančių 11, 12, 13, 14, 16, 18, 19 HPW, kad dar labiau sumažintų PBS matmenis, tuo tarpu pagrįstas sklidimo ilgis yra dešimtys mikrometrų. Norint atlikti poliarizacijos pasirinkimą tarp dviejų silicio bangolaidžių, buvo pasiūlytas trumpas 1, 1 μm PBS 11 naudojant nanodalelių sidabro cilindrus. PER buvo atitinkamai 22, 1 dB ir 23, 1 dB TE ir TM režimams. Tačiau skaitmeniniai skaičiavimai apsiribojo dviejų dimensijų struktūra. Guan ir kt . 12 pranešė apie asimetrinę kryptinę jungtį, kurią sudaro HPW ir silicio nanolaida. PBS ilgis buvo 3, 7 μm, o dviejų poliarizuotų režimų PER buvo apie 12 dB. 13 ir 14 nuorodose abu PBS taip pat buvo paremti asimetrinėmis DC struktūromis. Atsk. 13, asimetrinę nuolatinę srovę sudarė horizontaliai išdėstytas bangolaidis ir HPW. PBS ilgis buvo 5 μm, o PER buvo apie 20 dB. Atsk. 14, PBS sudarė juostinis dielektrinis bangolaidis ir HPW. Įrenginio ilgis buvo 4, 13 μm, o PER buvo atitinkamai 16, 4 dB ir 20, 9 dB TE ir TM režimams. Buvo pranešta, kad kitas dizainas, naudojant trijų uostų DC 16, 18, pasiekia aukštesnius PER (> 20 dB). Tačiau prietaiso ilgis buvo ilgesnis nei asimetrinių nuolatinės srovės konstrukcijų 13, 14 . Trumpiausias trimatis DC pagrindu pagamintas PBS, kurio struktūra 19 HPW (~ 2, 5 μm), sudarė vario nanorodų matricą, išdėstytą tarp dviejų silicio bangolaidžių. Naudojant lokalų paviršiaus plazmoninį rezonansą tarp silicio bangolaidžių, TE režimas buvo veiksmingai sujungtas su skersiniu kanalu, žymiai sumažinant prietaiso ilgį ir gaunant PER ~ 15 dB.

Šiame darbe siūlome naujovišką PBS, pagrįsto kombinuotu HPW (CHPW) pagrindu, projektą, kurį sudaro dvi dalys: sulenktas apatinis HPW, esantis ant SOI platformos ir sudarytas iš aukšto indekso silicio (Si) šerdies, esančios tarp dviejų žemų. -index nanoskalės silicio dioksido (SiO 2 ) ir Ag sluoksniai ir tiesi viršutinė HPW, sudaryta iš nanoskalės SiO 2 sluoksnio, įterpto tarp Si ir Ag sluoksnių. Tokiu būdu TE ir TM režimus palaiko atitinkamai sulenkti apatiniai ir tiesūs viršutiniai HPW, nereikalaudami jungties srities, kuri paprastai yra būtina nuolatinės srovės pagrindu veikiančiose PBS. Pagrindinė idėja leidžia sutrumpinti siūlomo PBS ilgį iki submikronų skalės, išlaikant patenkinamus PER ir plačius veikimo pralaidumus. Be to, gaminio tolerancija taip pat išsamiai aptariama, norint įvertinti suprojektuoto PBS įgyvendinamumą.

Rezultatai

Siūlomo PBS projekto ir būdo savybės

Siūlomo PBS schemą (1 pav. (A)) sudaro dvi HPW struktūros, nusodintos ant SiO2 substrato (pavaizduotos mėlyna spalva). Norėdami aiškiai pamatyti vidaus struktūrą, 1 pav. (B) parodyta siūlomo PBS, esančio nuo viršutinio Si (pavaizduoto oranžine spalva), SiO 2 ir Ag (pavaizduoto pilka spalva), lenkta apatinė HPW struktūra. Lenktą apatinę HPW struktūrą sudaro Si šerdis, paeiliui dedamas tarp SiO 2 ir Ag sluoksnių, o tiesią viršutinę HPW struktūrą (1 pav. (A)), sukrautą apatinėje dalyje, sudaro horizontalus SiO 2. sluoksnis, įterptas tarp Si ir Ag. Pagal HPW mechanizmą, TE ( t.y. didžioji dalis elektrinio lauko yra x kryptimi) ir TM ( t.y. didžioji dalis elektrinio lauko yra y kryptimi) režimai yra nukreipiami per atitinkamai apatinė ir viršutinė dalys, o abiejų režimų energija pirmiausia koncentruojama SiO 2 nanoskalės sluoksniuose. Siūlomo PBS skerspjūvio vaizdai įvesties prievadas, išvesties prievadas, skirtas TM režimui perduoti (2 prievadas), ir išvesties prievadas TE režimui perduoti (1 prievadas), parodyti 1 pav. (C ) (su geometriniais parametrais), atitinkamai 1 (d) ir 1 (e). Atkreipkite dėmesį, kad naujas siūlomo PBS dizainas leidžia TE ir TM režimus atskirti atitinkamai sulenktomis apatinėmis ir tiesiomis viršutinėmis HPW konstrukcijomis, nereikalaujant sujungimo srities, todėl suprojektuoto PBS ilgis yra labai trumpas. 90 ° sulenktas bangolaidis padeda labai aiškiai atsieti abu režimus ir taip pagerina siūlomo PBS veikimą.

Image

a ) Siūlomo PBS, kurį supa oras (balta sritis), 3D schema. Viršutinę dalį sudaro SiO 2 (pavaizduotas mėlyna spalva), įterptas tarp Si (pavaizduota oranžine spalva) ir Ag (pavaizduota pilka spalva) ir vadovaujasi TM režimu. Apatinę dalį sudaro Si, kurį supa SiO 2 ir uždengia Ag, ir veda TE režimą. b ) Siūlomas PBS pašalinamas iš viršutinio Si, SiO2 ir kai kurių Ag, paliekant aiškiai matomą apatinės dalies vidinę struktūrą. C ) įvesties prievado ir ( d ) išėjimo jungties, skirtos TM režimui perduoti ( t . Y. Didžioji dalis elektrinio lauko yra y kryptimi), ir ( e ) išvesties prievado TE režimui perduoti ( t . Y. , didžioji dalis elektrinio lauko yra x kryptimi).

Visas dydis

Siūlomo įrenginio gamybos procesai schematiškai parodyti 2 pav. Visų pirma, sulenktų TE ir tiesių TM kanalų raštinės kietos kaukės yra pagamintos naudojant aukštos skiriamosios gebos elektronų pluošto litografiją (EBL). Po to mes atliksime šiuos veiksmus. (1) SiO2 substratas (mėlynas) yra paruoštas nusodinti su neigiama fotorezisto (PR) plona plėvele (geltona), kad vidinė Si sritis būtų apibrėžta pagal ankstesnę sulenkto TE kanalo kaukę, PR ekspoziciją ultravioletiniu (UV) šviesos, vystymosi ir oforto procesas. (2) Šulinys, kurio plotis w 1 ir aukštis h 1, suformuojamas išgraviruojant SiO 2 ir nuėmus PR plėvelę. (3) Si sluoksnis, kurio aukštis h 1, nusodinamas šulinyje naudojant cheminį nusodinimą garų (CVD). Po to tęsiame cheminio mechaninio poliravimo (CMP) procesą, kad gautume plokščią plokštumą. (4) SiO2 sienos abiejose Si pusėse, kurių plotis 2 w 2 + w 1, yra apibūdinamos procesais, apimančiais PR plėvelės nusodinimą, šabloninę kaukę, PR ekspoziciją, plėtrą ir ėsdinimo procesą. (5) Naudojant raštinę kaukę, reaktyviojo jonų ėsdinimo (RIE) pagalba formuojamos dvi vertikalios SiO2 sienos, o tada PR pašalinamas. (6) Ag regionai, kurių plotis w 3 - 2 w 2 - w 1, pirmiausia nustatomi naudojant sulenktą TE kanalo rašytą kaukę ir dedant PR plėvelę. Toliau TM kanalas apibrėžiamas nuėmus tos dalies PR plėvelę, naudojant TM kanalo rašytą kaukę. (7) nusodinamas Ag sluoksnis, kurio aukštis h 1 + h 2 . (8) Pakėlus PR plėvelę, dar nėra galutinio sulenkto TE kanalo ir tiesiojo TM kanalo, be SiO 2 ir Si sluoksnių. (9) SiO 2 sluoksnis, kurio aukštis h 1 + h 2 + h 3, nusodinamas šiluminės oksidacijos būdu. Tada, naudodami CMP, gaukite lygų SiO 2 paviršių. (10) Uždėję PR plėvelę, naudojame plėvelę TM kanalo, PR ekspoziciją, plėtrą ir ėsdinimo procesą, kad susidarytume PR plėvelę, kurios plotis w 3 . (11) Naudodamas raštuotą kaukę, RIE ėsdindamas SiO 2, tiesiojo TM kanalo Ag sluoksnio viršuje sudaro SiO 2 sluoksnį, kurio plotis w 3 ir h 3 aukštis. (12) Nuėmus PR plėvelę, nusodinamas Si sluoksnis, kurio aukštis h 1 + h 2 + h 3 + h 4 . Tada, naudodami CMP, gaukite lygų Si paviršių. (13) Uždėjus PR plėvelę ant Si sluoksnio, naudojant TM kanalo modelinę kaukę, PR ekspozicija ir plėtra formuojant PR plėvelę, kurios plotis w 3 . (14) Galiausiai siūlomas įtaisas suformuojamas išgraviruojant Si ir pašalinant PR plėvelę.

Image

Visas dydis

Norėdami suprojektuoti optimalų PBS, pirmiausia išanalizavome siūlomo PBS režimo savybes. Šiame modelyje naudojami santykiniai Si, SiO 2 ir Ag leistinumai yra ε Si = 11.937 48, ε SiO2 = 2.088 48 ir ε Ag = −129.2 + 3.285 i 49, atitinkamai, darant prielaidą, kad darbas telekomunikacijų bangos ilgyje yra λ =. 1550 nm. Atsižvelgiant į HPW režimų kompensavimo tarp režimo ribos ir sklidimo ilgio 50, pasirinkti geometriniai parametrai yra w 1 = 80 nm, w 2 = 5 nm, w 3 = 240 nm, h 1 = 200 nm, h 2 = 50 nm, h 3 = 5 nm ir h 4 = 200 nm (žr. 1 pav. C). Apskaičiuoti TE ir TM režimų efektyvieji lūžio rodikliai

Image
ir
Image
, atitinkamai (žr. metodus). Pastebėjome, kad pagrindiniai TE ( E x ) ir TM ( E y ) režimų lauko profiliai (kaip parodyta atitinkamai 3 pav. (A, b)) daugiausia susiję su nanoskalės SiO 2 spragomis dėl režimų sujungimo efektų. dielektrinio bangolaidžio ir SPP režimo HPW. Mažesni SiO 2 tarpai padidina energijos sulaikymą. Norėdami įvertinti pagaminimo pastangas, režimo dydį ir įrenginio veikimą, pasirinkome SiO 2 tarpų plotį, kuris būtų 5 nm, o tai įmanoma pasiekti naudojant dabartinę gamybos technologiją. Be to, h 2 = 50 nm erdvės pakanka, kad būtų galima efektyviai išvengti besikeičiančio lauko sujungimo tarp TE ir TM režimų. Norint kiekybiškai įvertinti HPW režimo savybes, buvo apskaičiuotas normalizuoto režimo plotas ir sklidimo ilgis (žr. Metodus). Rezultatai, apskaičiuoti pagal šią struktūrą, yra A e / A o = 3, 1 × 10 −3 (1, 24 × 10 −2 ) ir L m = 10, 91 (20, 18) μm TE (TM) režimui. TE režime režimo dydis yra mažesnis nei TM režime, nes metalas yra visiškai padengtas; tačiau vienas trūkumas yra didesni metalų ominiai nuostoliai. 3 paveiksle (c, d) pavaizduoti TE ir TM režimų, kurie yra atsakingi už metalo silpnėjimą, nedideli elektriniai laukai Ez, atitinkamai 51 . Atkreipkite dėmesį, kad mažesnių E z laukų, parodytų 3 pav. (C, d), dydžiai yra dviem laipsniais mažesni nei dominuojančių E x arba E y laukų, parodytų 3 pav. (A, b). Stebime, kad TE ir TM režimų E z laukai yra sutelkti atitinkamai metale ir viršutiniame Si. Todėl TE režimo omų nuostoliai ( L m = 10, 91 μm) yra didesni nei TM režimo ( L m = 20, 18 μm), parodant apskaičiuotus sklidimo ilgius. Aukščiau pateikti skaitiniai rezultatai rodo, kad siūloma HPW struktūra yra pajėgi atlikti nanoskalės lauko lokalizaciją, tuo pačiu pasiūlant pakankamai ilgus sklidimo atstumus (dešimtys mikrometrų), todėl gali būti pritaikyta konstruojant ypač mažą PBS.

Image

a ) elektrinio lauko profilis, E x , TE, b ) elektrinio lauko profilis, E y , TM, c ) elektrinio lauko profiliai, E z , TE, ir b ) elektrinio lauko profiliai, E z , TM režimų esant w 1 = 80 nm, w 2 = 5 nm, w 3 = 240 nm, h 1 = 200 nm, h 2 = 50 nm, h 3 = 5 nm ir h 4 = 200 nm.

Visas dydis

Propagandinis siūlomo PBS veikimas

TE ir TM režimų sklidimo lauko pasiskirstymas parodytas atitinkamai 4 pav. (A, b), kai lenkimo spindulys yra R = 800 nm. Mes pastebime, kad abu režimai yra atskirai atskirti į viršutinę ir apatinę siūlomo PBS dalis. Skirtingai nei tipiniuose nuolatinės srovės pagrindu veikiančiuose PBS 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, nereikia jokio jungiamojo regiono, norint atskirti tam tikrą režimą nuo įvesties prievado, todėl siūlomas PBS labai trumpas. Norint toliau analizuoti siūlomo PBS prietaiso veikimą, apskaičiuoti dviejų režimų PER ir IL kaip R funkcijos yra parodyti atitinkamai 5 pav. (A, b) (žr. Metodus). 5 pav., PER TM (~ 18 dB) ir IL TM (~ 0, 2 dB) vidutiniškai kinta, kai R didėja, nes TM režimas sklinda tiesiame viršutiniame bangolaidyje, o ne sulenktame apatiniame. Priešingai, PER TE ir IL TE žymiai padidėja, kai R didėja, kaip parodyta 5 pav. PER TE padidėjimas, didėjant R, atsiranda dėl sumažėjusio lenkimo spinduliuotės perdavimo į 2 uostą. IL TE atveju sklidimo atstumo padidėjimas dėl padidėjusio R padidėja omų nuostoliai, kaip parodyta 5 pav. (b). Be to, TE režimo lenkimo praradimas, kaip R kitimas, taip pat parodytas 5 pav. (B). Teoriškai IL TE (bendras galios nuostolis) yra sklidimo ir lenkimo nuostolių suma. Matome, kad lenkimo nuostolių kitimas yra nuo 0, 03 iki 0, 05 dB, tačiau monotoniškai nemažėja, nes R didėja, nes yra kitas bangolaidis, perduodantis TM režimą. Kaip parodyta 5 pav. (B), didžioji IL TE dalis susidaro dėl sklidimo nuostolių, nes didžiausia jėga yra labai ribota vertikaliuose SiO 2 sluoksniuose, kuriuos supa Ag. Visų pirma, PER TE ir PER TM viršija atitinkamai 15 dB ir 18 dB, net jei R sumažėja iki 500 nm. Esant sąlygai R = 500 nm, suprojektuoto PBS matmenys yra tik 620 nm (ilgis) × 620 nm (plotis) × 455 nm (aukštis). Esant sąlygai R = 800 nm, PER TE dar padidėja iki daugiau nei 18 dB. IL, atsakingo už vidinius plazmoninių bangolaidžių nuostolius, IL TE padidėjimas, didėjant R, yra didesnis nei IL TM, nes TE režimo sklidimo nuostoliai (L m = 10, 91 μm) yra maždaug dvigubai didesni. TM režimo (L m = 20, 18 μm). Tačiau IL TE (~ 0, 6 dB, kai R = 800 nm) vis dar žemas. Apskritai, norint pasiekti patenkinamą veikimą (PER> 18 dB ir IL <0, 6 dB, kai R = 800 nm), siūlomo PBS matmenys turi būti apie 920 nm × 920 nm × 455 nm (mažiausias dar sukurtas PBS), taigi, siūlomame dizaine yra didelis potencialas realizuoti didelio tankio PIC, pasižyminčius geromis savybėmis. Kita pagrindinė savybė, vertinanti PBS, yra jos veikimo pralaidumas, kai PER ir IL yra patenkinami. Atsižvelgiant į panaudotas medžiagos dispersijas 48, 49, 5 pav. (C, d) parodo PER ir IL, palyginti su darbiniu bangos ilgiu λ nuo 1300 nm iki 1700 nm. Rezultatai rodo, kad siūlomą PBS galima valdyti plačiu 400 nm pralaidumu, kai PER> 17 dB ir IL <0, 6 dB abiem režimais. Veikiant siauresniu 200 nm pralaidumu (nuo 1400 nm iki 1600 nm), PER gali būti pagerintas iki didesnio kaip 18 dB. Iš 5 pav. (C, d) pastebime, kad suprojektuoto PBS PER ir IL nėra jautrūs bangos ilgiui, nes trūksta fazėms suderintų sąlygų su tikslia jungtimi, kurių reikia DC ir MMI pagrįstose PBS. Galiausiai, siekiant nustatyti geometrinius parametrus, kurie daro didelę įtaką dabartinio projekto veikimui, taip pat buvo ištirtas gamybos tolerancija. Visi PER ir IL degradacijos su w 1, w 3, h 1, h 2 ir h 4 variacijomis buvo atitinkamai 1 dB ir 0, 2 dB, net kai šie parametrai buvo varijuojami iki ± 20 nm. Šis stabilumas atsiranda dėl to, kad didžioji dalis hibridinių SPP režimų energijų yra sukoncentruota plonuose SiO 2 sluoksniuose ( ty tokiuose, kurių geometriniai parametrai yra h 3 ir w 2 ). Taigi pirmiausia mes ištyrėme PER ir IL, keisdami h 3 (Δ h 3 ), o rezultatai parodyti 6 pav. (A, b). Svarstomos Δh 3 vertės svyruoja nuo –2 nm iki 5 nm, nes iš pradžių numatytas storis h 3 buvo tik 5 nm. TM režime PER TM ir IL TM vertėms vidutinę įtaką turėjo Δh 3 . Galima suprasti, kad didelė dalis energijos yra viršutinėje Si srityje, be to, kuri susikaupia ploname SiO 2 tarpe. Kaip tikėtasi, PER TE ir IL TE yra maždaug pastovūs, nes h 3 kinta. Kitas kritinis geometrinis parametras yra vertikaliųjų SiO 2 sričių, palaikančių TE režimą, plotis ( w 2 ). Apskaičiuoti PER ir IL yra parodyti atitinkamai 6 pav. (C, d). Kaip ir tikėtasi, akivaizdu, kad PER TM ir IL TM šiek tiek veikia Δ w 2 . Priešingai nei PER TM, PER TE didelę įtaką daro Δ w 2, kaip parodyta 6 pav. (C). Šis skirtumas atsiranda dėl didesnių w 2 verčių , kurios sukelia mažesnį energijos ribojimą TE režimu. Todėl dėl didesnės lenkimo spinduliuotės 2 prievado prijungiama daugiau energijos. Dėl to labai sumažėja PER TE . Priešingai, sumažinus SiO 2 plotį, padidėja PER TE dėl geresnio energijos ribojimo. Iš aukščiau aprašytų gamybos tolerancijų nuokrypių, plotis w 2 daro didžiausią įtaką PER TE . Dėl to darome išvadą, kad galimybė tiksliai valdyti kritinį parametrą w 2 lemia siūlomo PBS PER TE našumą. Laimei, kiti geometriniai parametrai, be w 2, turi mažesnį poveikį PER ir IL. Rezultatai patvirtina aukštus siūlomo PBS pagaminimo leidžiamuosius nuokrypius, išskyrus Δ w 2 . Norėdami dar labiau patobulinti TE ir TM PER kartu su geresnėmis, didesnėmis nei 20 dB reikšmėmis, galime sumažinti SiO 2 sluoksnių storius tarp Si ir Ag. Pavyzdžiui, TE režimo PER yra 21, 0 dB ir 22, 1 dB, atitinkamai esant w 2 = 4 nm ir 3 nm, kaip parodyta 6 pav. (C). Kalbant apie TM režimą, PER yra 20, 2 dB, kai h 3 = 2 nm, o tai neįtraukta į 6 pav. (A). Be abejo, pagaminimo tikslumas bus mažesnis. Tačiau jei kalbama tik apie didesnį PER TE, padidinus sulenkto bangolaidžio kreivio spindulį iki 1100 nm, jis gali pasiekti 20, 85 dB.

Image

A) TE ir b ) TM režimų pasiskirstymas lauke išilgai siūlomo PBS apatinio ir tiesiojo viršutinių HPW, atitinkamai, lenkimo spinduliu R = 800 nm. Kiti geometriniai parametrai yra tokie patys kaip 3 pav.

Visas dydis

Image

a ) TE ir TM režimų poliarizacijos išnykimo santykiai (PER) ir b ) įterpimo nuostoliai (IL) su TE režimo lenkimo nuostoliais kaip kreivio spindulio R funkcijos . c ) poliarizacijos ekstinkcijos santykis (PER) ir d ) intarpų praradimas (IL), palyginti su darbinės bangos ilgiu, λ.

Visas dydis

Image

a ) Siūlomo PBS poliarizacijos ekstinkcijos santykis (PER) ir b ) intarpų praradimas (IL), palyginti su h 3 (Δ h 3 ) kitimu, c ) Polarizacijos ekstinkcijos santykis (PER) ir d ) intarpų praradimas (IL) siūlomo PBS ir w 2 (Δ w 2 ) kitimo.

Visas dydis

Siūlomo PBS sujungimo efektyvumas

Atsižvelgiant į siūlomo PBS praktinį pritaikymą, išsamiai aptariame įvesties ir išvesties jungčių efektyvumą. Šviesa į įvesties angą sujungta 300 mm pločio ir 300 nm aukščio Si juostos bangolaidžiu, palaikančiu pagrindinius TE ir TM režimus, kai λ = 1, 55 μm. Išvesties prievadas TE režimui perduoti yra sujungtas su tuo pačiu Si juostos bangolaidžiu, kaip ir įvesties. Nepaisant to, išvesties prievadas, skirtas TM režimui perduoti, yra sujungtas su 52 lizdo bangolaidžiu, kurio dydis ir medžiagos yra tokie patys kaip ir TM kanalo, tačiau apatinę Ag pakeitus Si. Taip yra todėl, kad plyšinis bangolaidis padeda pasiekti didesnį sukabinimo efektyvumą nei Si juostos bangolaidis. TE ir TM režimų įvesties šaltiniai, apskaičiuoti ribinio režimo sprendikliu, yra parodyti atitinkamai 7 pav. (A, b). Paleidę Si juostos bangolaidžio TE režimą į siūlomą PBS, gauname sklidimo lauko pasiskirstymą ( E x ), kai R = 800nm, kaip parodyta 8 pav. (A). Lauko pasiskirstymas prieš 100 nm (pažymėtas brūkšniu raudona linija tarp AA ′) ir po jo (pažymėtu brūkšniu raudona linija tarp BB ′) įvesties jungties sąsaja taip pat parodyta 8 pav. (A) įdėkliuose. Čia įvesties sukabinimo efektyvumas nustatomas pagal jėgų santykį išilgai Z krypties plokštumose AA ′ ir BB ′, o apskaičiuota vertė yra ~ 94, 5%. Be to, TE režimo sklindantis lauko pasiskirstymas ( E z ) taip pat parodytas 8 pav. (B), kad būtų aiškiai rodomas išėjimo lauko pasiskirstymas, nes TE režimo energija teka išilgai banguoto bango, nukreipto iš z krypties (įvesties jungtis) ) iki minuso x krypties (išvesties jungtis). Panašiai lauko pasiskirstymas 100 nm prieš (CC ') ir po (DD') išvesties sukabinimo sąsają yra parodytas 8 pav. (B) įdėkliuose. Išėjimo jungties efektyvumo apibrėžimas yra galių, tekančių išilgai x krypčių plokštumose CC ′ ir DD ′, santykis, o apskaičiuota vertė yra ~ 94, 7%. Atminkite, kad įvesties ir išvesties jungčių efektyvumas yra beveik vienodas dėl tos pačios sujungtos struktūros. Norėdami visiškai išanalizuoti siūlomo PBS veikimą, mes apskaičiuojame bendrą TE režimo sukabinimo efektyvumą, apibrėžtą galios santykiu tarp plokštumų AA '(galia teka išilgai z krypties) ir DD' (galia teka išilgai atėmus x kryptį). Apskaičiuota viso sukabinimo efektyvumo vertė yra ~ 58, 5%. 5 pav. (B) mes pastebime, kad IL TE, kai R = 800nm, yra 0, 533 dB (galios perdavimo koeficientas sulenktame bangolaidyje yra ~ 88, 3%), o lenkimo nuostoliai yra gana maži, palyginti su labai uždaro plitimo nuostoliais. plazmoninio bangolaidžio režimas. Palyginus su bendru sujungimo efektyvumu ~ 58, 5%, apskaičiuojame bendrą galios perdavimo koeficientą (~ 79, 1%), sudedant įvestį (~ 94, 5%), išėjimą (~ 94, 7%), lenkiant ir skleidžiant (~ 88, 3%). nuostoliai. Mes nustatėme, kad akivaizdus ~ 20, 6% skirtumas tarp dviejų skaičiavimų atsiranda dėl stipresnio lenkimo nuostolių, kai sujungiama su Si juostos bangolaidžio TE režimu (nelabai uždaroje būsenoje), nei su vadovaujamu plazmoniniu TE režimu (labai uždaru) režimas). Dabar atkreipiame dėmesį į TM režimo analizę. TM režimo sklindantis lauko pasiskirstymas ( E y ) ir lauko pasiskirstymas EE ′, FF ′, GG ′ ir HH ′ plokštumose yra parodyti 8 pav. (C). Įvesties sukabinimo efektyvumas TM režime gaunamas pagal galių santykį plokštumose EE ′ ir FF ′, o FF ′ / EE ′ vertė yra ~ 88, 5%. Panašiai TM režimo išėjimo jungties efektyvumas gaunamas pagal jėgų plokštumose GG ′ ir HH ′ santykį, o HH ′ / GG ′ vertė yra ~ 95, 2%. TM režime bendras sukabinimo efektyvumas yra galių santykis plokštumose EE ′ ir HH ′, o apskaičiuota vertė yra ~ 77, 3%. Palyginus su viso TM režimo perdavimo galios santykiu (~ 79, 8%), abu skaičiavimai turi tylius artimus rezultatus, kaip tikėtasi, nes TM režimas eina tiesiu keliu be lenkimo nuostolių.

Image

Si juostos bangolaidžio, kurio plotis 300 nm ir 300 nm, elektrinio lauko pasiskirstymas (a) TE ir b ) TM režimuose. Du režimai pateikiami kaip įvesties sijos, jungiančios siūlomą PBS.

Visas dydis

Image

a ) TE režimo Ex sklidimo lauko pasiskirstymas, kai R = 800nm. b ) TE režimo E z sklidimo lauko pasiskirstymas. Įdėklai rodo lauko pasiskirstymą 100 nm prieš (CC ') ir po (DD') išvesties sukabinimo sąsają. c ) TM režimo E y sklidimas lauke. Įdėklai rodo lauko pasiskirstymą 100 nm prieš (EE ') ir po (FF') įvesties jungties sąsają ir tą 100 nm atstumą prieš (GG ') ir po (HH') išėjimo jungties sąsają.

Visas dydis

Mes pranešėme apie naują PBS, pagrįstą kombinuotu HPW. Siūlomą PBS sudarė dvi vertikaliai išdėstytos HPW struktūros. Ant SOI platformos esantis sulenktas apatinis HPW buvo suformuotas silicio šerdimi, paeiliui dengtu tarp silicio dioksido (SiO 2 ) su nanoskalės spragomis ir Ag, o tiesią viršutinę HPW sudarė nanoskalės SiO 2 tarpas, įterptas tarp Si ir Ag sluoksnių. . Naujoviška siūlomo PBS koncepcija buvo atskirti TE ir TM režimus atitinkamai sulenktais apatine ir tiesia viršutine HPW, nesujungiant vieno iš pagrindinių režimų prie gretimo kanalo. Dėl to sukurto PBS ilgis tapo ypač trumpas. Kai matmenys 920 nm (ilgis) × 920 nm (plotis) × 455 nm (aukštis) - tai yra mažiausias iki šiol buvęs PBS, TE (TM) režimo PER buvo ~ 19 dB (18 dB), o IL buvo ~ 0, 6 dB (0, 3 dB) per labai plačią 400 nm juostą (nuo λ = 1300 nm iki 1700 nm). Visų pirma, dėl siūlomų PBS savybių bangos ilgio nejautrumo atsirado vengiant DC-PBS fazių atitikimo reikalavimo. Taip pat nagrinėjamas TE ir TM režimų įvesties ir išvesties jungimo efektyvumas. TE režime tiek įvesties, tiek išvesties prievadai yra sujungti su Si juostos bangolaidžiais, o abiejų jungčių efektyvumas yra apie 94, 5%. TM režime įvesties sukabinimo efektyvumas, sujungtas su Si juostos bangolaidžiu, yra apie 88, 5%, o išėjimo efektyvumas, sujungtas su plyšiniu bangolaidžiu, yra apie 95, 2%. Pridedant siūlomo PBS sklidimo omos ir lenkimo nuostolius, bendras TE ir TM režimų sujungimo efektyvumas yra atitinkamai apie 58, 5% ir 77, 3%. Kai matmenys buvo dar labiau sumažinti iki 620 nm × 620 nm × 455 nm, siūlomas PBS vis tiek išlaikė aukštus PERs> 15 dB. Šie rezultatai rodo, kad siūlomas PBS gali realizuoti aukšto tankio PIC duomenis, kurių efektyvumas yra pakankamas.

Metodai

Šiame tyrime skaičiuojamos dviejų rūšių savybės, įskaitant siūlomo PBS modalines charakteristikas ir perdavimo charakteristikas.

Siūlomo PBS projekto ir būdo savybės

Pirmiausia, modalinės savybės įvesties prievade gaunamos išsprendus Helmholtz lygtį, naudojant modeliavimo programinės įrangos COMSOL TM Multiphysics ribinio režimo analizę, pagrįstą baigtinių elementų metodu (FEM). Normalizuoto režimo plotas ( A e / A o ) ir sklidimo ilgis ( L m = λ / [4πIm ( n e )]) vadovaujantis režimu yra pagrindiniai požymiai, apibūdinantys plazmoninio bangolaidžio nuopelnus (FOM) 44, kur A o = λ 2/4 žymi vakuumo ribotą šviesos difrakcijos plotą, o λ yra veikimo bangos ilgis. Efektyviojo režimo sritis A e , išreikšta ekvivalentu. (1) žymi santykį tarp bendrosios režimo energijos W m ir didžiausio energijos tankio vertės W ( r ), apibrėžto ekvivalentais. (2): 44

Image

ir

Image

kur ω yra kampinis dažnis, ε ( r ) yra santykinis pralaidumas, μ 0 yra vakuumo pralaidumas ir | E ( r ) | 2 ir | H ( r ) | 2 yra atitinkamai elektrinio ir magnetinio lauko intensyvumai. Sklidimo ilgis parodo atstumą, per kurį režimo energijos intensyvumas sumažinamas iki 1 / e įėjimo šviesos, kur Im ( n e ) yra įsivaizduojama efektyviojo režimo rodyklės dalis. Apskaičiuotas langas (500 × 5000 μm 2 ) su išsibarsčiusiomis ribinėmis sąlygomis, imituojančiomis būtiną atvirą ribą, kad būtų galima išspręsti režimo charakteristikas, yra pakankamai didelis, kad būtų užtikrinta, jog nuo sienos nebus trukdoma, kad būtų daromi rezultatai. Be to, konvergencija taip pat tikrinama nustatant baudą tam tikrų plonų sričių ir staigiai besikeičiančių laukų akims.

Propagandinis siūlomo PBS veikimas

Gavę suprojektuoto PBS režimo charakteristikas, mes ištyrėme jo veikimą paleisdami TE ir TM SPP režimus į įvesties prievadą. Norėdami įvertinti PBS perdavimo charakteristikas, turime ištirti konkretaus režimo PER ir IL. Čia TE ir TM režimai yra apibrėžti atitinkamai 3 ir 4 ekvivalentais: 11, 12, 19

Image

ir

Image

kur P i yra režimo galia i uoste ( i = 1, 2 arba įvestis).

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Chang, K.-W. ir Huang, C.-C. Itin trumpas plačiajuosčio ryšio poliarizacijos pluošto skirstytuvas, pagrįstas kombinuotu hibridiniu plazmoniniu bangolaidžiu. Mokslas. Atstovas 6, 19609; „doi“: 10.1038 / srep19609 (2016).

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.