Jump to content

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.

Схематический 2D щелевой волновод. Свет распространяется в направлении z.
Схема 3D щелевого волновода. Свет распространяется в направлении z.

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 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 .

Профиль электронного поля двумерного щелевого волновода. E-вектор параллелен оси Y.
Распределение электронного поля трехмерного щелевого волновода. Основная компонента электронного поля параллельна оси x.

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]

  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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)
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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.
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9d114ff0ad72193c7ed7fe73d7c6db7a__1674301500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9d/7a/9d114ff0ad72193c7ed7fe73d7c6db7a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Slot-waveguide - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)