Slot-vlnovod - Slot-waveguide

A štěrbinový vlnovod je optický vlnovod které jsou silně omezené světlo v subvlnová délka -škála nízká index lomu region podle celková vnitřní reflexe.

Štěrbinový vlnovod se skládá ze dvou pásů nebo desek s vysokým indexem lomu (čH) materiály oddělené indexem nízkých indexů lomu v rozsahu vlnových délek (nS) oblast štěrbiny a obklopena indexem nízkého lomu (nC) obkladové materiály.

Schematický 2D slot-vlnovod. Světlo se šíří ve směru z
Schematický 3D slot-vlnovod. Světlo se šíří ve směru z

Princip činnosti

Princip činnosti štěrbinového vlnovodu je založen na diskontinuitě elektrické pole (E-pole) na rozhraních s vysokým indexem lomu a kontrastem. Maxwellovy rovnice uveďte, že k uspokojení kontinuity normální složky pole elektrického posunu D na rozhraní musí odpovídající E-pole projít diskontinuitou s vyšší amplitudou na straně s nízkým indexem lomu. To znamená, že na rozhraní mezi dvěma oblastmi dielektrické konstanty εS a εH, respektive:

DSN= DHN
εSESN= εHEHN
nS2ESN= nH2EHN

kde horní index N označuje normální složky D a E vektorová pole. Pokud tedy nS<< nH, pak ESN>> EHN.

Profil E-pole 2D drážkového vlnovodu. E-vektor je rovnoběžný s osou y
Distribuce E-pole 3D drážkového vlnovodu. Hlavní složka pole E je rovnoběžná s osou x

Vzhledem k tomu, že kritický rozměr štěrbiny (vzdálenost mezi deskami nebo pásy s vysokým indexem) je srovnatelný s exponenciální úpadek délka základního vlastní režim struktury řízených vln je výsledné E-pole kolmé k rozhraním s vysokým indexem kontrastu vylepšeno ve slotu a zůstává vysoko přes něj. Hustota výkonu ve slotu je mnohem vyšší než v oblastech s vysokým indexem. Vzhledem k tomu, že šíření vln je způsobeno úplným vnitřním odrazem, nedochází k žádnému interferenčnímu efektu a štěrbinová struktura vykazuje velmi nízkou citlivost na vlnové délky.[1]

Vynález

Slot-vlnovod se narodil v roce 2003 jako neočekávaný výsledek teoretických studií o kov -kysličník -polovodič (MOS) elektrooptický modulace ve vysokém vězení křemíkový fotonický vlnovody Vilson Rosa de Almeida a Carlos Angulo Barrios, poté Ph.D. student a postdoktorský spolupracovník v uvedeném pořadí Cornell University. Teoretická analýza [1] a experimentální demonstrace [2] prvního štěrbinového vlnovodu implementovaného v Si / SiO2 materiálový systém s vlnovou délkou operace 1,55 μm uvedli výzkumníci společnosti Cornell v roce 2004.

Od těchto průkopnických prací bylo navrženo a předvedeno několik konfigurací řízených vln založených na konceptu drážkových vlnovodů. Relevantní příklady jsou následující:

V roce 2005 vědci z Massachusetts Institute of Technology navrhl použít více slotových oblastí ve stejné struktuře vedených vln (multi-slotový vlnovod) za účelem zvýšení optického pole v oblastech s nízkým indexem lomu.[3] Experimentální demonstrace takového vícenásobného štěrbinového vlnovodu v horizontální konfiguraci byla poprvé publikována v roce 2007.[4]

V roce 2006 byl přístup s vlnovodem rozšířen na terahertz kmitočtové pásmo výzkumníky v RWTH Aachen University.[5] Vědci z Kalifornský technologický institut také prokázal, že štěrbinový vlnovod v kombinaci s nelineárním elektrooptické polymery, lze použít k výrobě kruhových modulátorů s výjimečně vysokou laditelností.[6] Stejný princip později umožnil Baehr-Jonesovi a spol. předvést modulátor mach-zehnder s výjimečně nízkým hnacím napětím 0,25 V[7][8]

V roce 2007 byla výzkumníky z EU předvedena nerovinná implementace principu provozu pomocí vlnovodu University of Bath. Ukázali koncentraci optické energie ve vzduchovém otvoru v měřítku vlnové délky stékajícím po délce a vlákno fotonického krystalu.[9]

Nedávno, v roce 2016, se zobrazuje [10] že sloty ve dvojici vlnovodů, pokud jsou posunuty od sebe navzájem, mohou při správné optimalizaci zvýšit koeficient vazby dokonce o více než 100%, a tím lze významně snížit délku vazby účinného výkonu mezi vlnovody. Hybridní slot (mající vertikální slot v jednom vlnovodu a horizontální slot v druhém) s asistovaným rozdělovačem polarizačního paprsku je také numericky demonstrován. Ztráty jsou u těchto slotových struktur vysoké, ale toto schéma využívající asymetrické sloty může mít potenciál navrhnout velmi kompaktní optické směrové vazební členy a rozdělovače polarizačního paprsku pro integrovaná optická zařízení na čipu.

Štěrbinový vlnovod je další strukturou nezbytnou pro konstrukci vlnovodu několika integrovaných mikro- a nanooptických zařízení. Jednou z výhod vlnovodových ohybů je zmenšení velikosti stopy zařízení. Existují dva přístupy založené na podobnosti šířky kolejnic Si k vytvoření ostrého ohybu ve štěrbinovém vlnovodu, což jsou symetrické a asymetrické štěrbinové vlnovody [11].

Výroba

Rovinné štěrbinové vlnovody byly vyrobeny v různých materiálových systémech, jako je Si / SiO2[2][12][13] a Si3N4/ SiO2.[14] Jak vertikální (rovina štěrbiny je kolmá k rovině substrátu), tak horizontální (rovina štěrbiny je rovnoběžná s rovinou substrátu) konfigurace byly implementovány pomocí konvenčních technik mikro- a nano-výroby. Mezi tyto nástroje pro zpracování patří litografie elektronového paprsku, fotolitografie, chemická depozice par [obvykle nízkotlaká chemická depozice z plynné fáze (LPCVD) nebo plazmová chemická depozice z plynné fáze (PECVD)], tepelná oxidace, leptání reaktivními ionty a zaostřený iontový paprsek.

Ve vertikálních štěrbinových vlnovodech jsou šířky štěrbin a pásů definovány technikami elektronové nebo fotolitografie a leptáním za sucha, zatímco ve vodorovných štěrbinových vlnovodech jsou tloušťky štěrbin a pásů definovány technikou nanášení tenkého filmu nebo tepelnou oxidací. Depozice nebo oxidace na tenkém filmu poskytuje lepší kontrolu nad rozměry vrstev a hladší rozhraní mezi materiály s vysokým indexem kontrastu než techniky litografie a suchého leptání. Díky tomu jsou horizontální štěrbinové vlnovody méně citlivé na rozptyl optických ztrát v důsledku drsnosti rozhraní než vertikální konfigurace.

Výroba neplanární (vláknové) konfigurace drážkového vlnovodu byla také prokázána pomocí konvenčních mikrostruktur optické vlákno technologie.[9]

Aplikace

Slotový vlnovod produkuje vysokou amplitudu E-pole, optická síla a optické intenzita v materiálech s nízkým indexem na úrovních, které nelze dosáhnout konvenčními vlnovody. Tato vlastnost umožňuje vysoce efektivní interakci mezi poli a aktivními materiály, což může vést koptické přepínání,[15] optické zesílení [16][17] a optická detekce [6] na integrované fotonice. Silné uzavření E-pole lze lokalizovat v a nanometr - oblast s nízkým indexem. Jak bylo nejprve zdůrazněno v,[1] štěrbinový vlnovod lze použít k výraznému zvýšení citlivosti kompaktu optické snímání zařízení [18][19][20][21][22][23][24] nebo zvýšit účinnost systému optika blízkého pole Na frekvencích Terahertz byl navržen rozdělovač založený na štěrbinových vlnovodech, který umožňuje nízké ztráty šíření Terahertzových vln. Zařízení funguje jako rozdělovač, kterým lze dosáhnout maximální propustnosti úpravou poměru délky ramene vstupu k výstupní straně.[25]

Reference

  1. ^ A b C Almeida, Vilson R .; Xu, Qianfan; Barrios, Carlos A .; Lipson, Michal (01.06.2004). "Vedení a omezování světla v prázdné nanostruktuře". Optická písmena. Optická společnost. 29 (11): 1209–11. doi:10,1364 / ol.29.001209. ISSN  0146-9592. PMID  15209249.
  2. ^ A b Xu, Qianfan; Almeida, Vilson R .; Panepucci, Roberto R .; Lipson, Michal (15. 7. 2004). „Experimentální demonstrace vedení a omezování světla v materiálu s nízkým indexem lomu o velikosti nanometrů“. Optická písmena. Optická společnost. 29 (14): 1626–8. doi:10,1364 / ol.29.001626. ISSN  0146-9592. PMID  15309840.
  3. ^ Feng, N.-N .; Michel, J .; Kimerling, L.C. (2006). "Koncentrace optického pole ve vlnovodech s nízkým indexem". IEEE Journal of Quantum Electronics. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 42 (9): 883–888. doi:10.1109 / jqe.2006.880061. ISSN  0018-9197. S2CID  46700811.
  4. ^ Sun, Rong; Dong, Po; Feng, Ning-ning; Hong, Čing-jin; Michel, Jurgen; Lipson, Michal; Kimerling, Lionel (2007). „Horizontální jednosměrné a víceslotové vlnovody: optický přenos při λ = 1550 nm“. Optika Express. Optická společnost. 15 (26): 17967–72. doi:10.1364 / oe.15.017967. ISSN  1094-4087. PMID  19551093.
  5. ^ Nagel, Michael; Marchewka, Astrid; Kurz, Heinrich (2006). „Terahertzové vlnovody s nízkým indexem diskontinuity“. Optika Express. Optická společnost. 14 (21): 9944. doi:10.1364 / oe.14.009944. ISSN  1094-4087. PMID  19529388.
  6. ^ A b Baehr-Jones, T .; Hochberg, M .; Wang, Guangxi; Lawson, R .; Liao, Y .; Sullivan, P. A .; Dalton, L .; Jen, A. K.-Y .; Scherer, A. (2005). "Optická modulace a detekce ve štěrbinových křemíkových vlnovodech". Optika Express. Optická společnost. 13 (14): 5216-5226. doi:10.1364 / opex.13.005216. ISSN  1094-4087.
  7. ^ Baehr-Jones, Tom; Penkov, Boyan; Huang, Jingqing; Sullivan, Phil; Davies, Joshua; et al. (2008-04-21). „Nelineární polymerem potažený křemíkový štěrbinový modulátor vlnovodu s půlvlnným napětím 0,25 V“. Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 92 (16): 163303. doi:10.1063/1.2909656. ISSN  0003-6951.
  8. ^ Witzens, Jeremy; Baehr-Jones, Thomas; Hochberg, Michael (2010-07-26). „Návrh štěrbinového vlnovodu poháněného přenosovým vedenímMach-Zehnderovy interferometry a aplikace na analogové optické spoje“. Optika Express. Optická společnost. 18 (16): 16902-16928. doi:10.1364 / oe.18.016902. ISSN  1094-4087. PMID  20721082.
  9. ^ A b Wiederhecker, G. S .; Cordeiro, C. M. B .; Couny, F .; Benabid, F .; Maier, S. A .; et al. (2007). "Vylepšení pole v optickém vlákně se vzduchovým jádrem o vlnové délce". Fotonika přírody. Springer Science and Business Media LLC. 1 (2): 115–118. doi:10.1038 / nphoton.2006.81. ISSN  1749-4885.
  10. ^ Haldar, Raktim; Mishra, V; Dutt, Avik; Varshney, Shailendra K (09.09.2016). „Širokopásmové širokopásmové ultrakompaktní optické vazební členy a polarizační děliče založené na mimostředových a nesymetrických štěrbinových Si-drátových vlnovodech“. Journal of Optics. Publikování IOP. 18 (10): 105801. doi:10.1088/2040-8978/18/10/105801. ISSN  2040-8978.
  11. ^ Al-Tarawni, Musab A. M .; Bakar, A. Ashrif A .; Zain, Ahmad Rifqi Md .; Tarawneh, Mou’ad A .; Ahmad, Sahrim Hj. (08.02.2019). „Zvýšení výkonu pásových a 180stupňových vlnovodových ohybů pro integrovaný modulátor optického vlnovodu“. Optické inženýrství. SPIE-Intl Soc Optical Eng. 58 (2): 027104. doi:10.1117 / 1.oe.58.2.027104. ISSN  0091-3286. S2CID  126965871.
  12. ^ Baehr-Jones, Tom; Hochberg, Michael; Walker, Chris; Scherer, Axel (2005-02-21). „High-Q optické rezonátory ve štěrbinových vlnovodech na bázi křemíku na izolátoru“. Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 86 (8): 081101. doi:10.1063/1.1871360. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Schrauwen J., Van Lysebettens J., Vanhoutte M., Van Thourhout D. a kol., „Jódem vylepšené leptání iontovým paprskem křemíku pro modifikaci a prototypování fotonického zařízení (2008)“, Mezinárodní workshop o FIB pro fotoniku, Sborník (2008)
  14. ^ Barrios, C. A .; Sánchez, B .; Gylfason, K. B .; Griol, A .; Sohlström, H .; Holgado, M .; Casquel, R. (2007). „Ukázka struktur štěrbinových vlnovodů na platformě nitrid křemíku / oxidu křemičitého“. Optika Express. Optická společnost. 15 (11): 6846–56. doi:10.1364 / oe.15.006846. ISSN  1094-4087. PMID  19546997.
  15. ^ Barrios, C.A. (2004). "Vysoce výkonný plně optický křemíkový mikrospínač". Elektronické dopisy. Institution of Engineering and Technology (IET). 40 (14): 862-863. doi:10.1049 / el: 20045179. ISSN  0013-5194.
  16. ^ Barrios, Carlos Angulo; Lipson, Michal (2005). „Elektricky poháněné křemíkové rezonanční světlo emitující zařízení založené na štěrbinovém vlnovodu“. Optika Express. Optická společnost. 13 (25): 10092-10101. doi:10.1364 / opex.13.010092. ISSN  1094-4087. PMID  19503222.
  17. ^ A. Armaroli, A. Morand, P. Benech, G. Bellanca, S. Trillo, „Srovnávací analýza planárního štěrbinového mikrodiskového rezonátoru,“ Lightwave Technology, Journal of, sv. 27, č. 18, str. 4009 4016 , 15. září 2009
  18. ^ Barrios, Carlos Angulo (2006). "Ultrasensitive Nanomechanical Photonic Sensor Based on Horizontal Slot-Waveguide Resonator". IEEE Photonics Technology Letters. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 18 (22): 2419–2421. doi:10.1109 / lpt.2006.886824. ISSN  1041-1135. S2CID  32069322.
  19. ^ Barrios, Carlos A .; Gylfason, Kristinn B .; Sánchez, Benito; Griol, Amadeu; Sohlström, H .; Holgado, M .; Casquel, R. (2007-10-17). "Slot-vlnovod biochemický senzor". Optická písmena. Optická společnost. 32 (21): 3080-3082. doi:10,1364 / ol. 32.003080. ISSN  0146-9592. PMID  17975603.
  20. ^ Dell'Olio, Francesco; Passaro, Vittorio M. (2007). „Optické snímání optimalizovanými křemíkovými drážkovými vlnovody“. Optika Express. Optická společnost. 15 (8): 4977-4993. doi:10,1364 / oe.15.004977. ISSN  1094-4087.
  21. ^ Barrios, Carlos A .; Bañuls, María José; González-Pedro, Victoria; Gylfason, Kristinn B .; Sánchez, Benito; et al. (2008-03-28). „Optické biosenzování bez štítků pomocí vlnovodů se štěrbinami“. Optická písmena. Optická společnost. 33 (7): 708–10. doi:10,1364 / ol. 33,000708. ISSN  0146-9592. PMID  18382525.
  22. ^ Robinson, Jacob T .; Chen, Long; Lipson, Michal (13. 3. 2008). „Detekce plynu na čipu v křemíkových optických mikrodutinách“. Optika Express. Optická společnost. 16 (6): 4296–301. doi:10,1364 / oe.16.004296. ISSN  1094-4087. PMID  18542525.
  23. ^ Witzens, Jeremy; Hochberg, Michael (29.03.2011). „Optická detekce agregace nanočástic indukovaná cílovou molekulou pomocí rezonátorů s vysokým Q“. Optika Express. Optická společnost. 19 (8): 7034-7061. doi:10.1364 / oe.19.007034. ISSN  1094-4087. PMID  21503017.
  24. ^ Ghosh, Souvik; Rahman, B. M. A. (2017). „Inovativní přímý rezonátor s vertikální drážkou jako účinným biochemickým senzorem“ (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 23 (2): 132–139. doi:10.1109 / jstqe.2016.2630299. ISSN  1077-260X. S2CID  10903140.
  25. ^ Pandey, Shashank; Kumar, Gagan; Nahata, Ajay (2010-10-22). "Štěrbinové rozdělovače založené na vlnovodu pro širokopásmové terahertzové záření". Optika Express. Optická společnost. 18 (22): 23466–71. doi:10.1364 / oe.18.023466. ISSN  1094-4087. PMID  21164689.