Щель-волновод
Щелевой волновод — это оптический волновод , который направляет сильно ограниченный свет в субволновую область низким показателем преломления с за счет полного внутреннего отражения .
Щелевой волновод состоит из двух полос или пластин из материалов с высоким показателем преломления (n H ), разделенных субволновой областью щелей с низким показателем преломления (n S ) и окруженных областью щелей с низким показателем преломления ( n C ). облицовочные материалы.
Принцип работы
[ редактировать ]Принцип работы щелевого волновода основан на разрыве электрического поля (Э-поля) на границах с высоким показателем преломления. Уравнения Максвелла гласят, что для обеспечения непрерывности нормальной компоненты поля электрического смещения D на границе раздела соответствующее E-поле должно претерпевать разрыв с более высокой амплитудой на стороне с низким показателем преломления. То есть на границе двух областей диэлектрических проницаемостей ε S и ε H соответственно:
- Д С Н = Д Ч Н
- е С Е С Н =ε Ч Э Ч Н
- н С 2 EЕСТЬ Н =n Ч 2 EЭХ Н
где верхний индекс N указывает на нормальные компоненты D и E. векторных полей Таким образом, если n S < <n H , то E S Н >>Э Ч Н .
Учитывая, что критический размер щели (расстояние между высокоиндексными пластинами или полосами) сравним с длиной экспоненциального затухания основной собственной моды волноводной структуры, результирующее электронное поле, нормальное к высококонтрастным границам раздела, будет усиливается в слоте и остается высоким поперек него. Плотность мощности в слоте значительно выше, чем в регионах с высоким индексом. Поскольку распространение волн происходит за счет полного внутреннего отражения, интерференционный эффект отсутствует, а щелевая структура демонстрирует очень низкую чувствительность к длине волны. [1]
Изобретение
[ редактировать ]Щелевой волновод родился в 2003 году как неожиданный результат теоретических исследований металл - оксид - полупроводник (МОП) электрооптической модуляции волноводах с высоким ограничением размеров, в кремниевых фотонных проведенных Вильсоном Розой де Алмейда и Карлосом Ангуло Барриосом, тогда доктором философии. . соответственно студент и научный сотрудник Корнелльского университета . Теоретический анализ [1] и экспериментальная демонстрация [2] о первом щелевом волноводе, реализованном в системе материалов Si/SiO 2 и рабочей длине волны 1,55 мкм, сообщили исследователи Корнелла в 2004 году.
Со времени этих новаторских работ было предложено и продемонстрировано несколько конфигураций направленных волн, основанных на концепции щелевого волновода. Соответствующими примерами являются следующие:
В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического института предложили использовать несколько областей щелей в одной и той же волноводной структуре (многощелевой волновод), чтобы увеличить оптическое поле в областях с низким показателем преломления. [3] Экспериментальная демонстрация такого многощелевого волновода в горизонтальной конфигурации была впервые опубликована в 2007 году. [4]
распространили подход щелевого волновода на терагерцовый В 2006 году исследователи из RWTH Ахенского университета диапазон частот . [5] Исследователи из Калифорнийского технологического института также продемонстрировали, что щелевой волновод в сочетании с нелинейными электрооптическими полимерами можно использовать для создания кольцевых модуляторов с исключительно высокой перестраиваемостью. [6] Позже этот же принцип позволил Baehr-Jones et al. продемонстрировать модулятор Маха-Цендера с исключительно низким напряжением возбуждения 0,25 В. [7] [8]
В 2007 году непланарная реализация принципа работы щелевого волновода была продемонстрирована исследователями из Университета Бата . Они показали концентрацию оптической энергии внутри субволнового воздушного отверстия, проходящего по длине фотонно -кристаллического волокна . [9]
Недавно, в 2016 году, показано [10] что щели в паре волноводов, смещенные друг от друга, могут увеличить коэффициент связи даже более чем на 100% при правильной оптимизации, и, таким образом, эффективная длина связи по мощности между волноводами может быть значительно уменьшена. Также численно продемонстрирован гибридный щелевой (с вертикальной щелью в одном волноводе и горизонтальной щелью в другом) поляризационный светоделитель с вспомогательной поляризацией. Хотя потери для таких щелевых структур высоки, эта схема, использующая асимметричные щели, может иметь потенциал для разработки очень компактных оптических направленных ответвителей и поляризационных светоделителей для встроенных в кристалл оптических устройств.
Изгиб щелевого волновода - еще одна структура, необходимая для конструкции волновода нескольких интегрированных микро- и нанооптических устройств. Одним из преимуществ изгибов волновода является уменьшение занимаемой площади устройства. Существует два подхода, основанных на сходстве ширины Si-рельсов для формирования резкого изгиба щелевого волновода: симметричные и асимметричные щелевые волноводы. [11]
Изготовление
[ редактировать ]Плоские щелевые волноводы изготавливаются из различных систем материалов, таких как Si/SiO 2. [2] [12] [13] и Si 3 N 4 /SiO 2 . [14] Как вертикальная (плоскость прорези перпендикулярна плоскости подложки), так и горизонтальная (плоскость прорези параллельна плоскости подложки) конфигурации были реализованы с использованием традиционных методов микро- и нанопроизводства. Эти инструменты обработки включают электронно-лучевую литографию , фотолитографию , химическое осаждение из паровой фазы [обычно химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LPCVD) или химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением (PECVD)], термическое окисление , травление реактивными ионами и сфокусированный ионный луч .
В вертикальных щелевых волноводах ширина щелей и полос определяется методами электронной или фотолитографии и сухого травления, тогда как в горизонтальных щелевых волноводах толщина щелей и полос определяется методом тонкопленочного осаждения или термического окисления. Нанесение или окисление тонких пленок обеспечивает лучший контроль размеров слоев и более гладкую поверхность раздела между высококонтрастными материалами, чем методы литографии и сухого травления. Это делает горизонтальные щелевые волноводы менее чувствительными к оптическим потерям рассеяния из-за шероховатости интерфейса, чем вертикальные конфигурации.
Изготовление непланарной (на основе волокна) конфигурации щелевого волновода также было продемонстрировано с помощью традиционной технологии микроструктурированного оптического волокна . [9]
Приложения
[ редактировать ]Щелевой волновод создает высокую амплитуду электронного поля, оптическую мощность и оптическую интенсивность в материалах с низким коэффициентом преломления на уровнях, которые невозможно достичь с помощью обычных волноводов. Это свойство обеспечивает высокоэффективное взаимодействие между полями и активными материалами, что может привести к полностью оптическому переключению . [15] оптическое усиление [16] [17] и оптическое обнаружение [6] по интегральной фотонике. Удержание сильного электронного поля может быть локализовано в нанометрового области с низким индексом масштаба. Как впервые отмечалось в [1] щелевой волновод можно использовать для значительного повышения чувствительности компактных оптических датчиков. [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] или для повышения эффективности зондов ближней оптики .На терагерцовых частотах был разработан расщепитель на основе щелевого волновода, который обеспечивает распространение терагерцовых волн с низкими потерями. Устройство действует как разделитель, благодаря которому максимальная пропускная способность может быть достигнута путем регулирования соотношения длин входного и выходного плеч. [25]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Алмейда, Вилсон Р.; Сюй, Цяньфань; Барриос, Карлос А.; Липсон, Михал (1 июня 2004 г.). «Направляющий и удерживающий свет в пустотной наноструктуре». Оптические письма . 29 (11). Оптическое общество: 1209–11. дои : 10.1364/ол.29.001209 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 15209249 .
- ^ Jump up to: а б Сюй, Цяньфань; Алмейда, Вилсон Р.; Панепуччи, Роберто Р.; Липсон, Михал (15 июля 2004 г.). «Экспериментальная демонстрация направления и удержания света в материале нанометрового размера с низким показателем преломления». Оптические письма . 29 (14). Оптическое общество: 1626–168. дои : 10.1364/ол.29.001626 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 15309840 .
- ^ Фэн, Н.-Н.; Мишель, Дж.; Кимерлинг, LC (2006). «Концентрация оптического поля в волноводах с низким коэффициентом преломления». Журнал IEEE по квантовой электронике . 42 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 883–888. дои : 10.1109/jqe.2006.880061 . ISSN 0018-9197 . S2CID 46700811 .
- ^ Сунь, Ронг; Донг, По; Фэн, Нин-нин; Хун, Цзин-инь; Мишель, Юрген; Липсон, Михал; Кимерлинг, Лайонел (2007). «Горизонтальные одно- и многощелевые волноводы: оптическое пропускание на длине волны λ = 1550 нм» . Оптика Экспресс . 15 (26). Оптическое общество: 17967–72. дои : 10.1364/oe.15.017967 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19551093 .
- ^ Нагель, Майкл; Марчевка, Астрид; Курц, Генрих (2006). «Терагерцовые волноводы с низким показателем разрыва» . Оптика Экспресс . 14 (21). Оптическое общество: 9944–54. дои : 10.1364/oe.14.009944 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19529388 .
- ^ Jump up to: а б Бэр-Джонс, Т.; Хохберг, М.; Ван, Гуанси; Лоусон, Р.; Ляо, Ю.; Салливан, Пенсильвания; Далтон, Л.; Джен, АК-Ю.; Шерер, А. (2005). «Оптическая модуляция и обнаружение в щелевых кремниевых волноводах» . Оптика Экспресс . 13 (14). Оптическое общество: 5216–26. дои : 10.1364/opex.13.005216 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19498512 .
- ^ Бэр-Джонс, Том; Пеньков, Боян; Хуан, Цзинцин; Салливан, Фил; Дэвис, Джошуа; и др. (21 апреля 2008 г.). «Нелинейный кремниевый щелевой волноводный модулятор с полимерной оболочкой с полуволновым напряжением 0,25 В». Письма по прикладной физике . 92 (16). Издательство AIP: 163303. doi : 10.1063/1.2909656 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Витценс, Джереми; Бэр-Джонс, Томас; Хохберг, Майкл (26 июля 2010 г.). «Проектирование щелевых волноводных интерферометров Маха-Цендера с приводом от линии передачи и их применение в аналоговых оптических линиях связи» . Оптика Экспресс . 18 (16). Оптическое общество: 16902–28. дои : 10.1364/oe.18.016902 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 20721082 .
- ^ Jump up to: а б Видерхекер, Г.С.; Кордейро, CMB; Кауни, Ф.; Бенабид, Ф.; Майер, SA; и др. (2007). «Усиление поля в оптическом волокне с субволновой воздушной сердцевиной». Природная фотоника . 1 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 115–118. дои : 10.1038/nphoton.2006.81 . ISSN 1749-4885 .
- ^ Халдар, Рактим; Мишра, В; Датт, Авик; Варшни, Шайлендра К. (9 сентября 2016 г.). «Встроенные широкополосные сверхкомпактные оптические соединители и делители поляризации на основе нецентрированных и несимметричных щелевых кремниевых волноводов». Журнал оптики . 18 (10). Издание IOP: 105801. doi : 10.1088/2040-8978/18/10/105801 . ISSN 2040-8978 . S2CID 7788279 .
- ^ Аль-Тарауни, Мусаб А.М.; Бакар, А. Ашриф А.; Зейн, Ахмад Рифки, Мэриленд; Таравне, Муад А.; Ахмад, Сахрим Хдж. (08.02.2019). «Повышение характеристик ленточных и щелевых волноводов с углом 180 градусов для интегрированного модулятора оптических волноводов». Оптическая инженерия . 58 (2). SPIE-Intl Soc Optical Eng: 027104. doi : 10.1117/1.oe.58.2.027104 . ISSN 0091-3286 . S2CID 126965871 .
- ^ Бэр-Джонс, Том; Хохберг, Майкл; Уокер, Крис; Шерер, Аксель (21 февраля 2005 г.). «Высокодобротные оптические резонаторы в щелевых волноводах на основе кремния на изоляторе» . Письма по прикладной физике . 86 (8). Издательство AIP: 081101. doi : 10.1063/1.1871360 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Шраувен Дж., Ван Лизебеттенс Дж., Ванхаут М., Ван Турхаут Д. и др., «Иодное травление кремния сфокусированным ионным лучом для модификации и прототипирования фотонных устройств (2008)», Международный семинар по FIB для фотоники, 1-й , Труды (2008)
- ^ Барриос, Калифорния; Санчес, Б.; Гилфасон, КБ; Гриол, А.; Сольстрем, Х.; Хольгадо, М.; Каскель, Р. (2007). «Демонстрация щелевых волноводных структур на платформе нитрида кремния/оксида кремния» . Оптика Экспресс . 15 (11). Оптическое общество: 6846–56. дои : 10.1364/oe.15.006846 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19546997 .
- ^ Барриос, Калифорния (2004). «Высокопроизводительный полностью оптический кремниевый микропереключатель». Электронные письма . 40 (14). Инженерно-технологический институт (ИЭТ): 862–863. дои : 10.1049/эл:20045179 . ISSN 0013-5194 .
- ^ Барриос, Карлос Ангуло; Липсон, Михал (2005). «Кремниевый резонансный светоизлучающий прибор с электроприводом на основе щелевого волновода» . Оптика Экспресс . 13 (25). Оптическое общество: 10092–101. дои : 10.1364/opex.13.010092 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19503222 .
- ^ А. Армароли, А. Моран, П. Бенек, Г. Белланка, С. Трилло, «Сравнительный анализ планарного микродискового резонатора с прорезями», Lightwave Technology, Journal of, том 27, № 18, стр. 4009, 4016, 15 сентября 2009 г.
- ^ Барриос, Карлос Ангуло (2006). «Сверхчувствительный наномеханический фотонный датчик на основе горизонтально-щелевого волноводного резонатора». Письма IEEE Photonics Technology . 18 (22). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2419–2421. дои : 10.1109/lpt.2006.886824 . ISSN 1041-1135 . S2CID 32069322 .
- ^ Барриос, Карлос А.; Гилфасон, Кристинн Б.; Санчес, Бенито; Гриоль, Амадеу; Сольстрем, Х.; Хольгадо, М.; Каскель, Р. (17 октября 2007 г.). «Щелевой волноводный биохимический датчик». Оптические письма . 32 (21). Оптическое общество: 3080–2. дои : 10.1364/ол.32.003080 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 17975603 .
- ^ Делл'Олио, Франческо; Пассаро, Витторио М. (2007). «Оптическое зондирование с помощью оптимизированных кремниевых щелевых волноводов» . Оптика Экспресс . 15 (8). Оптическое общество: 4977–93. дои : 10.1364/oe.15.004977 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19532747 .
- ^ Барриос, Карлос А.; Баньюлс, Мария Хосе; Гонсалес-Педро, Виктория; Гилфасон, Кристинн Б.; Санчес, Бенито; и др. (28 марта 2008 г.). «Безметочное оптическое биосенсорство с использованием щелевых волноводов» . Оптические письма . 33 (7). Оптическое общество: 708–10. дои : 10.1364/ол.33.000708 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 18382525 .
- ^ Робинсон, Джейкоб Т.; Чен, Лонг; Липсон, Михал (13 марта 2008 г.). «Встроенное обнаружение газа в кремниевых оптических микрорезонаторах» . Оптика Экспресс . 16 (6). Оптическое общество: 4296–301. дои : 10.1364/oe.16.004296 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18542525 .
- ^ Витценс, Джереми; Хохберг, Майкл (29 марта 2011 г.). «Оптическое обнаружение молекулы-мишени, индуцирующей агрегацию наночастиц с помощью высокодобротных резонаторов» . Оптика Экспресс . 19 (8). Оптическое общество: 7034–61. дои : 10.1364/oe.19.007034 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 21503017 .
- ^ Гош, Сувик; Рахман, БМА (2017). «Инновационный прямой резонатор с вертикальной щелью в качестве эффективного биохимического сенсора» (PDF) . Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 23 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 132–139. дои : 10.1109/jstqe.2016.2630299 . ISSN 1077-260X . S2CID 10903140 .
- ^ Пандей, Шашанк; Кумар, Гаган; Нахата, Аджай (22 октября 2010 г.). «Щелевые волноводные разветвители широкополосного терагерцового излучения» . Оптика Экспресс . 18 (22). Оптическое общество: 23466–71. дои : 10.1364/oe.18.023466 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 21164689 .