Вопреки общепринятому мнению, ученые обнаружили новый механизм связи, включающий режимы утечки, который ранее считался непригодным для интеграции фотонных схем с высокой плотностью. Это удивительное открытие прокладывает путь к фотонной интеграции высокой плотности, меняя потенциал и масштабируемость фотонных чипов в таких областях, как оптические вычисления, квантовая связь, обнаружение света и определение дальности (LiDAR), оптическая метрология и биохимическое зондирование.
В недавнем выпуске журнала Light Science & Application Сангсик Ким, доцент кафедры электротехники Корейского передового института науки и технологий (KAIST), и его студенты из Техасского технологического университета продемонстрировали, что анизотропные вытекающие волны могут достигать нулевых перекрестных помех между близко расположенными идентичными волноводами с использованием метаматериалов с субволновой решеткой (SWG). Это противоречивое открытие значительно увеличивает длину связи поперечных магнитных (TM) мод, что было проблемой из-за их низкого ограничения.
Это исследование основано на их предыдущей работе по использованию метаматериалов SWG для уменьшения оптических перекрестных помех, включая контроль глубины скин-слоя волн испарения и специальную связь в анизотропных модах направленных волн. В последнее время компания SWG добилась значительного прогресса в области фотоники, создав множество высокопроизводительных компонентов PIC. Тем не менее, плотность интеграции режима TM по-прежнему сталкивается с проблемами, а его перекрестные помехи примерно в 100 раз выше, чем в режиме бокового электрического (TE), что затрудняет интеграцию микросхем с высокой плотностью.
«Наша исследовательская группа изучала SWG для плотной фотонной интеграции и добилась значительных улучшений. Однако предыдущие методы ограничивались TE-поляризацией. В фотонных чипах существует еще одна TM с ортогональной поляризацией, которая может удвоить емкость чипа и иногда более популярна, чем TE, например, при измерении градиентного поля». Ким объяснил: «TM сложнее интегрировать, чем TE, потому что соотношение сторон его волновода обычно ниже и менее ограничительно».
Первоначально команда думала, что будет невозможно уменьшить перекрестные помехи с помощью SWG, поскольку они ожидали, что моды утечки улучшат связь между волноводами. Однако они сосредоточились на возможности анизотропных возмущений с модами утечки и предположили, что перекрестное подавление может быть достигнуто.
Выполняя анализ связанных мод модальных свойств вытекающих мод SWG, они обнаружили уникальные анизотропные возмущения с похожими модами утечки, что обеспечивает нулевые перекрестные помехи между близко расположенными идентичными волноводами SWG. Используя граничное моделирование Флоке, они разработали возможный волновод SWG на стандартной отраслевой платформе кремний-на-изоляторе (SOI). По сравнению с полосковыми волноводами его эффект подавления перекрестных помех значителен, а длина связи увеличивается более чем на два порядка.
Этот прорыв также значительно снижает уровень шума в PIC, что потенциально может иметь значение для квантовой связи и вычислений, оптической метрологии и биохимического зондирования. Исследователи также подчеркнули широкие последствия своей работы, отметив, что этот новый механизм связи может быть распространен на другие интегрированные фотонные платформы и диапазоны длин волн, включая видимый, средний инфракрасный и терагерцовый диапазон за пределами телекоммуникационных диапазонов.
Этот удивительный механизм связи расширяет потенциал плотной фотонной интеграции, ломает общепринятые представления и продвигает эту область. По мере продолжения исследований индустрия фотоники, вероятно, будет двигаться в сторону более плотных, малошумящих и более эффективных технологий интегральных схем.