Protokollet för att generera hyperuniforma störda väggnätstrukturer (a) Vänster till höger:triangulärt gitter, dess Fourier -spektrum och det dubbla tessellationsprotokollet som ger ett honungskaka -nätverk. (b) Vänster till höger:smygande hyperuniformt mönster, dess Fourier -spektrum, och det dubbla tessellationsprotokollet som omvandlar det till ett trihedralt samordnat stört nätverk. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-019-56692-5
I en ny rapport publicerad den Vetenskapliga rapporter , Milan M. Milošević och ett internationellt forskargrupp vid Zepler Institute for Photonics and Nanoelectronics, Etaphase Incorporated och avdelningarna för kemi, Fysik och astronomi, i USA och Storbritannien introducerade en hyperuniform-störd plattform för att realisera nära-infraröda (NIR) fotoniska enheter för att skapa, upptäcka och manipulera ljus. De byggde enheten på en kisel-på-isolator (SOI) plattform för att demonstrera funktionaliteten hos strukturerna i en flexibel, kiselintegrerad krets som inte begränsas av kristallina symmetrier. Forskarna rapporterade resultat för element i passiva enheter, inklusive vågledare och resonatorer som integreras sömlöst med konventionella kisel-på-isolerande bandvågledare och vertikala kopplingar. Den hyperuniformstörda plattformen förbättrade kompakthet och förbättrad energieffektivitet samt temperaturstabilitet, jämfört med fotoniska kiselanordningar tillverkade på vågledare med ribbor och remsor.
Akademiska och kommersiella insatser världen över inom kiselfotonik har lett till att konstruera optisk datakommunikation i Terabit-skalan till allt lägre kostnader för att möta den snabbt växande efterfrågan i datacenter. Explosiv tillväxt inom molndatorer och underhållning på begäran innebär alltmer utmanande kostnader och energikrav för dataöverföring, bearbetning och lagring. Optiska sammankopplingar kan ersätta traditionella kopparbaserade lösningar för att erbjuda en ständigt ökande potential för att minimera latens och strömförbrukning, samtidigt som man maximerar bandbredden och tillförlitligheten för enheterna. Kisel fotonik utnyttjar också storskalig, kompletterande metalloxidhalvledar (CMOS) tillverkningsprocesser för att producera högpresterande optiska sändtagare med hög avkastning till låg kostnad. Egenskaperna gör att applikationer för optiska sändtagare (fiberoptisk teknik för att skicka och ta emot data) blir alltmer övertygande över kortare avstånd.
För mer än tre decennier sedan, fysikern Richard Soref identifierade kisel som ett lovande material för fotonisk integration. Ledande till dagens ständiga utveckling och snabba produktion av allt mer komplexa fotoniska integrerade kretsar (PIC). Forskare kan integrera ett stort antal massivt parallella, kompakta energieffektiva optiska komponenter på ett enda chip för molntjänster från djupinlärning till artificiell intelligens och sakernas internet. Jämfört med den begränsade omfattningen av kommersiella fotoniska kiselsystem, fotoniska kristallarkitekturer (PhC) lovar mindre enhetsstorlekar, även om de undanhålls av layoutbegränsningar som åläggs av vågledarkrav längs den fotoniska kristallens axel. Tills nyligen, fotoniska bandgap (PBG) strukturer som effektivt styr ljus var begränsade till fotoniska kristallplattformar. Nu, nyare klasser av PBG -strukturer inkluderar fotoniska kvasikristaller, hyperuniform störda fasta ämnen (HUD) och lokala självuniforma strukturer.
(a) Skanningselektronmikrografbild av en tillverkad SOI HUD -nätverksstruktur med en väggbredd på 140 nm. (b) Simulerade överföringsresultat visar att positionen och bredden för bandgapet för HUDS -nätverket med ett genomsnittligt gallringsavstånd på 500 nm kan justeras genom att variera väggbredderna. Kredit:Vetenskapliga rapporter, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
I det nuvarande arbetet, Milošević et al. introducerade en HUD (hyperuniform störd solid) plattform som ett lokalt konstruerat fotoniskt system och generisk arkitektur för fotoniska integrerade kretsar. De demonstrerade HUD-plattformens designflexibilitet och inbyggda förmåga för sömlös integration i fördesignade optiska hålrum och vågledare. Silikon-på-isolatorn (SOI) HUD har stor potential i en mängd applikationer vid optiska kommunikationsvåglängder. Jämfört med vanliga mikro-ringresonatorer (MRR) eller Mach-Zehnder interferometrar (MZI), HUD-resonatorer uppvisade mindre temperaturberoende resonansvåglängdsförskjutning (TDRWS) och ökad kompakthet. Resultaten avslöjade lovande utsikter för enhetsförbättring och lägre strömförbrukning.
Teamet erhöll först en skanningelektronmikrograf (SEM) -bild av ett HUD-nätverk tillverkat med elektronstråle litografi på en 220 nm hög, SOI -skiva. Följt av begränsade skillnader tidsdomän simuleringar av överföringsspektrumet för överföring av elektriskt polariserat ljus genom hyperuniforma nätverk med en genomsnittlig separation på 500 nm och olika väggbredder. Milošević et al. ställde in den centrala våglängden för dessa bandgap genom att modifiera HUD:s väggbredd och de breda bandgapen tillät dem att täcka ett våglängdsområde på 1,50 till 1,58 mikrometer (µm) för att nätverken skulle vara väl lämpade för fotonisk kretsdesign.
(a) SEM -bild av en tillverkad SOI HUD -vågledare genom att helt enkelt hoppa över en rad etsade lufthål. (b) SEM -bild av en tillverkad SOI HUD -vågledare (inklusive designoptimering). (c) Experimentellt uppmätt överföringsspektrum som jämför prestanda för HUD -vågledare före (a) och efter (b) designoptimering visar en förbättring på 17 dB. Ett platt överföringsspektrum över ett stort område uppnåddes efter vågledaroptimering. (d) Experimentellt uppmätt överföringsspektrum som jämför kopplingsförlusterna för den optimerade HUD -vågledaren och en kiselremsvågledare. Insättningsförluster på ~ 2-3 dB erhölls på grund av förlusten mellan ingång/utgång mellan HUD -vågledaren och resten av enheterna. Här, w representerar den enhetliga bredden på nätverksväggarna, t är vågledarens tjocklek (höjd), och W är den genomsnittliga cellseparationen och även den fasta bredden för vågledarkanalen i (b). Etiketten "ostyrd" i (c) hänvisar till HUDS -strukturen utan en vågledarkanal inbäddad i den. Kredit:Vetenskapliga rapporter, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Forskarna designade och utvecklade vågledare som en serie in-line defekter genom att ersätta en rad polygonformade luftceller längs önskade banor med fyllt kisel. SEM -bilderna av tillverkade SOI HUD -vågledare möjliggjorde en mängd olika optimeringsmetoder för att öka överföringen genom vågledarkanalen. För att minimera backscattering -förluster, de optimerade vågledarstrukturen via ettstegsoptimering, vilket väsentligt minskade den initiala förlusten med hög backscattering. Teamet observerade överföringsspektrumet genom HUD -vågledare före och efter optimering och överföring i frånvaro av vågledarkanalen för att experimentellt verifiera en förbättring på 17 dB vid cirka 1550 nm.
HUD -plattformen stödde en rik uppsättning nya resonatordesigner inklusive resonanshålrum med symmetrier som inte är tillgängliga i fotoniska kristallstrukturer. HUD-plattformen var också mångsidig och flexibel för nya typer av hålrum och vågledarkonstruktioner som möjliggör sömlös integration i toppmoderna konstruktioner, samtidigt som en mycket hög kvalitetsfaktor (Q) upprätthålls (signalkvalitet för en optisk kanal). Tillvägagångssättet möjliggjorde med fördel att alla enheter kunde integreras med minimal ansträngning på samma plattform med HUDsiansk beklädnad i fri form, förutsatt att forskarna ordnade lämplig isolering av de olika komponenterna. Baserat på simuleringar, de fann att HUD -enhetens fotavtryck var litet men Q -faktorn förblev stor.
(a) Fältprofil i simulerat läge för en hålighet med en Q-faktor större än 20, 000 i en HUDS -platta med TE -polarisering PBG. (b) Fältprofil i simulerat läge för den HUDS-klädda fotoniska kristallhåligheten med en Q-faktor på 1 miljon. (c) Fältprofil i simulerat läge för resonansläget för ett HUDS-baserat kavitetsvågledarfilter och (d) dess simulerade överföringsspektrum. Kredit:Vetenskapliga rapporter, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Milošević et al. undersökte sedan en elektriskt styrd optisk modulator med en luftbryggad resonanshålighet i en HUDS-struktur. Teamet syftade främst till att visa HUD-plattformens mångsidighet för att integrera en mängd olika optiska komponenter samtidigt som deras toppmoderna prestanda bibehålls. De registrerade både elektronfördelningstätheten och det lokala brytningsindexet som en funktion av förspänningarna i installationen. Forskargruppen ställde enkelt in elektrondistributionstätheten och det lokala brytningsindexet genom att applicera små spänningar.
De applicerade sedan en förspänning framåt (flöde av större ström i en riktning) till installationen för att demonstrera transmittansspektrumförskjutningen mot en kortare våglängd. Resultaten innebar det minskade brytningsindexet för kisel som förväntat för plasmadispersionseffekten. Forskarna förutspådde att 0,48 V skulle vara tröskelspänningen för att driva en modulator vid ett 10 dB av/på -förhållande och observerade låg effekt på grund av den lilla storleken och höga Q i resonanskaviteten.
VÄNSTER:(a) En schema över resonansmodulatorer klädda med HUDS i p+ pinn+ konfiguration. Ovanifrån illustrerar vågledarkopplad hålighet klädd med HUDS, och positioner för dopningsregioner. (b) En sidovy av enheten som illustrerar ungefärliga fördelningar av p (Bor) och n (fosfor) dopningsmedel. (c) HUDS resonanshålighet. (d) Överst:Pseudofärgvisning av simulerad elektrontäthet (logskalan i C · cm − 3) och botten:pseudofärgvisning av simulerat brytningsindex (linjär skala) för p+ pinn+ -enheten som funktion av storleken på den applicerade spänningen. HÖGER:(a) Resonant våglängdsförskjutning som en funktion av den applicerade spänningen för ett spänningsområde från 0 till 1,2 V. (b) Resonant våglängdsförskjutning som en funktion av den applicerade spänningen för ett spänningsområde från 0 till 0,6 V. (c ) Topposition för resonansvåglängd som en funktion av applicerad spänning som illustrerar linjära och branta resonanta toppskift för högre spänningar än 0,8 V. (d) Motsvarande kvalitetsfaktor för resonansvåglängdstopparna som en funktion av den applicerade spänningen. Kredit:Vetenskapliga rapporter, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
På det här sättet, Milan M. Milošević och kollegor visade experimentella och simuleringsresultat av HUD (hyperuniform störda fasta) integrerade enheter för att utforska HUD-funktionalitet som en flexibel och kompakt plattform för fotoniska integrerade kretsar. De förbättrade tillverkningsprocessen för enheter för att minska förökningsförluster och optimerade övergången mellan HUD:er och bandvågledare med bredare vågledare och behandling efter tillverkning. Forskarna använde HUD:erna för att underlätta ljusinneslutning i fördefinierade PhC (fotoniska kristaller) resonanshålor och förbättra deras temperaturstabilitet.
Den inneboende isotropin (enhetlighet i alla riktningar) för de nya störda PBG -materialen (fotoniskt bandgap) visade potential för fotonisk enhetsdesign genom att erbjuda kompakthet, låg strömförbrukning och förbättrad temperaturstabilitet. Enheterna erbjöd också oöverträffad designfrihet utan begränsningar av kristallina strukturer eller periodicitet. Oordningsmaterialets karaktär gjorde dem mindre känsliga för fabrikationsfel, jämfört med sina periodiska motsvarigheter. De HUD-baserade resonansanordningarna visade en tydlig förmåga att styra och lokalisera ljus i det infraröda området med låg förlust. HUD -enheterna gav nya byggstenar för att designa mer komplexa system med passiva och aktiva enheter i halvledarmaterialplattformar, för nya möjligheter i kostnadseffektivt ökad datahastighet och datalagring.
© 2020 Science X Network
