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May 28, 2023

Efficiente riduzione della diafonia MIR basata sul silicio

Scientific Reports volume 13, Numero articolo: 7233 (2023) Cita questo articolo 448 Accessi Dettagli metriche La riduzione della diafonia (CT) tra componenti fotonici contigui è ancora una grande sfida

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La riduzione della diafonia (CT) tra componenti fotonici contigui rappresenta ancora una grande sfida nella fabbricazione di circuiti integrati fotonici (PIC) ad alta densità di imballaggio. Negli ultimi anni sono state offerte poche tecniche per raggiungere questo obiettivo, ma tutte nella regione del vicino IR. In questo articolo riportiamo un progetto per realizzare una riduzione CT altamente efficiente nel regime MIR, per la prima volta al meglio delle nostre conoscenze. La struttura riportata si basa sulla piattaforma di silicio su fluoruro di calcio (SOCF) con array di strisce Ge/Si uniformi. L'uso delle strisce di Ge mostra una migliore riduzione CT e una lunghezza di accoppiamento (Lc) più lunga rispetto ai dispositivi convenzionali basati su Si su un'ampia larghezza di banda nella regione MIR. L'effetto dell'aggiunta di un numero diverso di strisce di Ge e Si con dimensioni diverse tra due guide d'onda di Si adiacenti su Lc e quindi su CT viene analizzato utilizzando sia il metodo degli elementi finiti vettoriali completi che il metodo del dominio del tempo alle differenze finite 3D. Un aumento di Lc di 4 ordini di grandezza e 6,5 volte si ottiene utilizzando strisce di Ge e Si, rispettivamente, rispetto alle guide d'onda di Si prive di strisce. Di conseguenza, viene mostrata una soppressione della diafonia di −35 dB e −10 dB rispettivamente per le strisce Ge e Si. La struttura proposta è vantaggiosa per i dispositivi nanofotonici ad alta densità di impaccamento nel regime MIR, come interruttori, modulatori, splitter e (de)multiplexer a divisione di lunghezza d'onda, che sono importanti per i circuiti integrati, gli spettrometri e i sensori di comunicazione MIR.

Negli ultimi decenni, con il rapido sviluppo della tecnologia nanofotonica, la fotonica del silicio ha guadagnato molto interesse, grazie alla sua compatibilità con la tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS)1. La regione della lunghezza d'onda MIR (da 2 a 10 µm) offre una varietà di applicazioni pratiche. Di conseguenza, è diventato un argomento di ricerca caldo per la scienza e l’industria. L'intervallo spettrale MIR, chiamato anche spettro dell'"impronta digitale molecolare", contiene i picchi significativi di rotazione, vibrazione e assorbimento per la maggior parte delle molecole con un'intensità spettrale migliaia di volte maggiore di quella corrispondente alla regione del vicino IR2. Pertanto, il regime MIR controlla una varietà di applicazioni tra cui il rilevamento biologico e chimico3, il rilevamento di gas4, la diagnostica medica, la termografia5, il monitoraggio dell'inquinamento ambientale2, l'assistenza sanitaria e il controllo dei processi industriali6,7. Queste eccezionali caratteristiche del regime MIR spingono i ricercatori a progettare componenti/dispositivi fotonici al silicio come accoppiatori8, guide d'onda5, fotorilevatori9, risonatori ad anello10, modulatori11 e sensori4. Nella fotonica MIR, il germanio è considerato uno dei materiali più importanti per diversi motivi12. In questo contesto, il Ge ha un ampio intervallo di trasparenza fino a 16,7 µm13, un'elevata densità di portatori liberi14 e un ampio indice di rifrazione (n = 4)15. Pertanto, se combinato con materiale a basso indice come il fluoruro di calcio (CaF2), porta ad un contrasto con indice elevato. Nel 2012 è stata rivelata la prima guida d'onda MIR al germanio su silicio (Ge-on-Si)16, successivamente sono state introdotte guide d'onda a bassa perdita (meno di 1 dB/cm)17. Inoltre, Ge-on-CaF2 è stato utilizzato come piattaforma efficiente per guide d'onda ottiche18.

Nelle piattaforme di silicio/germanio su isolante (S/GOI), il confinamento della luce in una piccola area potrebbe essere facilmente ottenuto a causa dell'elevata asimmetria significativa nell'indice di rifrazione del nucleo (ad esempio, Si, Ge) e del suo rivestimento o substrato (ad esempio , SiO2, aria). La piattaforma SOI consente la costruzione di numerosi componenti fotonici ultracompatti e ad alte prestazioni utilizzati nei PIC19. Tuttavia, la densità di imballaggio dei PIC è ancora bassa, il che rappresenta un ostacolo significativo nello sviluppo di circuiti integrati ibridi multistrato, su larga scala e a basso costo.

Recentemente sono stati segnalati nuovi approcci per migliorare la fitta integrazione dei PIC. A questo proposito, le guide d'onda plasmoniche20, le strutture ibride metallo-dielettrico21 e le strutture basate su metamateriali possono essere utilizzate per ridurre l'ingombro dei dispositivi22. Nella progettazione dei PIC è necessario considerare l'effetto reciproco delle guide d'onda. Ciò è dovuto alla sovrapposizione delle modalità tra guide d'onda vicine, che si traduce in un certo accoppiamento e CT tra le guide d'onda. Tuttavia, quando i modi ottici sono fortemente confinati, la sovrapposizione e il CT tra le guide d'onda sono deboli e insignificanti. Di conseguenza, la CT è considerata un fattore essenziale delle guide d'onda ottiche e della densità di impaccamento del dispositivo. Pertanto, negli ultimi anni sono state sviluppate varie tecniche di riduzione della diafonia, come il cloaking nanofotonico23 e i super-reticoli di guida d'onda24. I risultati indicano che la maggior parte dei metodi di riduzione CT sono stati ottenuti a lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, 1,3 µm e 1,55 µm. Inoltre, nella guida d'onda ottica sono stati introdotti strisce e reticoli di silicio sub-lunghezza d'onda per controllare la luce guidata nei PIC25,26. Di conseguenza, negli ultimi anni sono emersi dispositivi a guida d'onda accoppiati compatti27. Khavasi et al.25, hanno aggiunto due strisce di lunghezza d'onda secondaria tra due guide d'onda adiacenti, dove i metamateriali completamente dielettrici hanno generato una modalità altamente confinata. Pertanto, viene indotto un notevole aumento di Lc rispetto al caso senza strisce25. La Lc si estende fino a due ordini di grandezza aggiungendo tre strisce di silicio tra due guide d'onda vicine rispetto al caso senza strisce. Yu et al. hanno ottenuto risultati numerici alla stessa lunghezza d'onda e dimensione delle guide d'onda28. Inoltre, Yang et al. hanno migliorato l'Lc di tre ordini di grandezza maggiore di quello ottenuto in28 introducendo tre strisce di Si non uniformi tra le due guide d'onda29. Vale la pena notare che tutti gli studi sopra menzionati hanno lavorato nella regione NIR, vale a dire a λ = 1,55 µm basandosi sull'introduzione di strisce o reticoli di silicio tra le guide d'onda SOI standard.