Optiska höghastighetskretsar och sensorer kräver i allmänhet strikt kontroll över ljuspolarisering för att minimera förlust och överhörning i fotoniska enheter såsom vågledare. Ett A*STAR-team förutspår nu att brus som härrör från ofullkomliga polarisationer kan elimineras med hjälp av mikrostrukturer som kallas "slot"-vågledare.

Upptäcktes för drygt ett decennium sedan, slitsvågledare fångar in elektromagnetiska fält i ett smalt område mellan två mikrotillverkade materialremsor, såsom kisel. Skillnader i brytningsindex mellan slitsarna och skenorna hjälper till att fokusera ljuset in i spåret med optisk intensitet och kraft som inte syns i typiska vågledare. Dessa egenskaper ger förbättrad känslighet till sensorer och genererar användbara förstärkningseffekter.

En svårighet med fotoniska vågledare, dock, delar upp inkommande strålning i elektriska och magnetiska polarisationskomponenter inom nanometerskaliga utrymmen. "Oundvikligen, det kommer att finnas föroreningar från ljuskällan eller defekter längs vågledarna, " säger Jun Rong Ong från A*STAR's Institute of High Performance Computing. "Oönskad polarisering fungerar som brus, och detta försämrar enhetens prestanda."

Ong, tillsammans med kollegorna Valerian Chen och Ching Eng Png, hypotesen att ett speciellt tillstånd känt som "noll dubbelbrytning" kan förneka behovet av specialiserade splitterenheter som för närvarande används i fotoniska vågledare. Dubbelbrytning beskriver hur ljus med en blandning av polarisationer kan bryta i två riktningar när det passerar genom kristaller med specifika former. Teamet genomförde en systematisk teoretisk analys för att avgöra om vågledarens höjd ändras, vinkel, och slitsstorlek kan ta bort dubbelbrytning från vågledaren, lämnar bara en enda stråle.

"Genom att ha noll dubbelbrytning, vi kan bearbeta den oundvikliga blandningen av båda polarisationerna samtidigt, " förklarar Ong. "Detta innebär att enhetens fotavtryck effektivt kan halveras."

Trions simuleringar visade att många strukturella parametrar kunde producera noll dubbelbrytning i vågledaren, men vissa var mer effektiva än andra. Förvånande, de upptäckte att de två skenorna inte behövde vara symmetriska – med olika bredder som gjorde det möjligt för ena sidan att begränsa större mängd ljus, och ge bättre kontroll över vågledarens brytningsindex. Omvänt, när teamet testade vågledare med böjda orienteringar för att gå runt hörnen, symmetriska skenor visade sig vara mest effektiva.

För närvarande, de toleranser som behövs för att producera forskarnas noll dubbelbrytande vågledare kunde endast realiseras genom elektronstrålelitografi, en relativt långsam process. Dock, de är övertygade om att praktiska demonstrationer av denna teknik är inom räckhåll.

"Det skulle vara användbart att utforska om korta enheter, mindre än några hundra mikrometer, kan vara polarisationsoberoende på en wafer-skala, ", säger Ong. "Detta kan leda till applikationer med verklig effekt."