El protocolo para generar estructuras de red de paredes desordenadas hiperuniformes (a) De izquierda a derecha:celosía triangular, su espectro de Fourier y el protocolo de teselación dual que produce una red de panal. (b) De izquierda a derecha:patrón de puntos hiperuniforme sigiloso, su espectro de Fourier, y el protocolo de teselación dual que lo transforma en una red desordenada coordinada triédricamente. Crédito: Informes científicos , doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
En un nuevo informe publicado el Informes científicos , Milan M. Milošević y un equipo de investigación internacional del Instituto Zepler de Fotónica y Nanoelectrónica, Etaphase Incorporated y los Departamentos de Química, Física y Astronomía, en los EE. UU. y el Reino Unido.Introdujo una plataforma desordenada hiperuniforme para realizar dispositivos fotónicos de infrarrojo cercano (NIR) para crear, detectar y manipular la luz. Construyeron el dispositivo en una plataforma de silicio sobre aislante (SOI) para demostrar la funcionalidad de las estructuras de una manera flexible, circuito integrado de silicio no restringido por simetrías cristalinas. Los científicos informaron resultados para elementos de dispositivos pasivos, incluyendo guías de onda y resonadores perfectamente integrados con guías de onda de banda de silicio sobre aislante y acopladores verticales convencionales. La plataforma desordenada hiperuniforme mejoró la compacidad y la eficiencia energética mejorada, así como la estabilidad de la temperatura, en comparación con los dispositivos fotónicos de silicio fabricados en guías de ondas de nervaduras y tiras.
Los esfuerzos académicos y comerciales en todo el mundo en el campo de la fotónica de silicio han llevado a diseñar comunicaciones de datos ópticos a escala de Terabit a costos cada vez más bajos para satisfacer la creciente demanda en los centros de datos. El crecimiento explosivo de la computación en la nube y el entretenimiento a pedido plantea costos y requisitos energéticos cada vez más desafiantes para la transmisión de datos. procesamiento y almacenamiento. Las interconexiones ópticas pueden reemplazar las soluciones tradicionales basadas en cobre para ofrecer un potencial cada vez mayor para minimizar la latencia y el consumo de energía. maximizando el ancho de banda y la confiabilidad de los dispositivos. La fotónica de silicio también aprovecha a gran escala, Procesos de fabricación de semiconductores de óxido de metal complementarios (CMOS) para producir transceptores ópticos de alto rendimiento con alto rendimiento a bajo costo. Las propiedades permiten que las aplicaciones de los transceptores ópticos (tecnología de fibra óptica para enviar y recibir datos) sean cada vez más atractivas en distancias más cortas.
Hace más de tres décadas, El físico Richard Soref identificó al silicio como un material prometedor para la integración fotónica. Conduciendo al desarrollo constante actual y la producción rápida de circuitos integrados fotónicos (PIC) cada vez más complejos. Los investigadores pueden integrar una gran cantidad de componentes ópticos compactos de eficiencia energética masivamente paralelos en un solo chip para aplicaciones de computación en la nube, desde aprendizaje profundo hasta inteligencia artificial e Internet de las cosas. En comparación con el alcance limitado de los sistemas fotónicos de silicio comerciales, Las arquitecturas de cristal fotónico (PhC) prometen tamaños de dispositivos más pequeños, aunque están retenidos por las restricciones de diseño impuestas por los requisitos de la guía de ondas a lo largo del eje del cristal fotónico. Hasta hace poco, Las estructuras de banda prohibida fotónica (PBG) que guían eficazmente la luz se limitaron a las plataformas de cristal fotónico. Ahora, Las clases más nuevas de estructuras de PBG incluyen cuasicristales fotónicos, sólidos desordenados hiperuniformes (HUD) y estructuras locales uniformes.
(a) Imagen de micrografía electrónica de barrido de una estructura de red SOI HUD fabricada con un ancho de pared de 140 nm. (b) Los resultados de la transmisión simulada muestran que la posición y el ancho de la banda prohibida para la red HUDS con un espaciado de celosía promedio de 500 nm se puede sintonizar variando los anchos de las paredes. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
En el presente trabajo, Milošević y col. introdujo una plataforma HUD (sólido desordenado hiperuniforme) como un sistema fotónico diseñado localmente y una arquitectura genérica para circuitos integrados fotónicos. Demostraron la flexibilidad de diseño de la plataforma HUD y la capacidad incorporada para una integración perfecta en guías de ondas y cavidades ópticas prediseñadas. Los HUD de silicio sobre aislante (SOI) tienen un gran potencial en una gran cantidad de aplicaciones en longitudes de onda de comunicación óptica. En comparación con los resonadores de microanillo estándar (MRR) o los interferómetros Mach-Zehnder (MZI), Los resonadores HUD exhibieron un cambio de longitud de onda resonante menos dependiente de la temperatura (TDRWS) y una mayor compacidad. Los resultados revelaron perspectivas prometedoras para la mejora del dispositivo y un menor consumo de energía.
El equipo primero obtuvo una imagen de micrografía electrónica de barrido (SEM) de una red HUD fabricada mediante litografía por haz de electrones en una altura de 220 nm, Oblea SOI. Seguido de simulaciones en el dominio del tiempo de diferencia finita del espectro de transmisión para la transmisión de luz eléctrica polarizada a través de redes hiperuniformes con una separación promedio de 500 nm y varios anchos de pared. Milošević y col. sintonizaron la longitud de onda central de estos espacios de banda modificando el ancho de la pared de los HUD y los espacios de banda amplios les permitieron cubrir un rango de longitud de onda de 1,50 a 1,58 micrómetros (µm) para que las redes fueran adecuadas para el diseño de circuitos fotónicos.
(a) Imagen SEM de una guía de ondas SOI HUD fabricada simplemente omitiendo una fila de orificios de aire grabados. (b) Imagen SEM de una guía de ondas SOI HUD fabricada (incluida la optimización del diseño). (c) El espectro de transmisión medido experimentalmente que compara el rendimiento de la guía de ondas HUD antes (a) y después (b) de la optimización del diseño muestra una mejora de 17 dB. Se logró un espectro de transmisión plano en un amplio rango después de la optimización de la guía de ondas. (d) Espectro de transmisión medido experimentalmente comparando las pérdidas de acoplamiento de la guía de ondas HUD optimizada y una guía de ondas de banda de silicio. Se obtuvieron pérdidas de inserción de ~ 2–3 dB debido a la pérdida de acoplamiento de entrada / salida entre la guía de ondas del HUD y el resto de los dispositivos. Aquí, w representa el ancho uniforme de las paredes de la red, t es el grosor (altura) de la guía de ondas, y W es la separación celular promedio y también el ancho fijo del canal de la guía de ondas en (b). La etiqueta "sin guía" en (c) se refiere a la estructura de HUDS sin un canal de guía de ondas incrustado en ella. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Los científicos diseñaron y desarrollaron guías de ondas como una serie de defectos en línea mediante la sustitución de una fila de celdas de aire en forma de polígono a lo largo de las rutas deseadas con silicio relleno. Las imágenes SEM de guías de ondas SOI HUD fabricadas permitieron una variedad de enfoques de optimización para aumentar la transmisión a través del canal de guía de ondas. Para minimizar las pérdidas por retrodispersión, optimizaron la estructura de la guía de ondas mediante la optimización en un solo paso, lo que redujo sustancialmente la alta pérdida por retrodispersión inicial. El equipo observó el espectro de transmisión a través de guías de ondas HUD antes y después de la optimización y transmisión en ausencia del canal de guía de ondas para verificar experimentalmente una mejora de 17 dB en alrededor de 1550 nm.
La plataforma HUD admitía un amplio conjunto de nuevos diseños de resonadores que incluían cavidades resonantes con simetrías no disponibles en estructuras de cristal fotónico. La plataforma HUD también era versátil y flexible para nuevos tipos de cavidades y diseños de guías de ondas, lo que permite una integración perfecta en diseños de vanguardia. manteniendo un factor de calidad (Q) muy alto (calidad de señal de un canal óptico). El enfoque permitió ventajosamente que cualquier dispositivo se integrara con un esfuerzo mínimo en la misma plataforma con revestimiento HUDsian de forma libre, siempre que los investigadores dispusieran el aislamiento adecuado de los diversos componentes. Basado en simulaciones, encontraron que la huella del dispositivo HUD era pequeña pero que el factor Q seguía siendo grande.
(a) Perfil de campo de modo simulado para una cavidad con un factor Q mayor que 20, 000 en una losa HUDS con polarización TE PBG. (b) Perfil de campo de modo simulado de la cavidad de cristal fotónico revestida de HUDS con un factor Q de 1 millón. (c) Perfil de campo de modo simulado del modo resonante de un filtro de guía de ondas de cavidad basado en HUDS y (d) su espectro de transmisión simulado. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Milošević y col. A continuación investigó un modulador óptico controlado eléctricamente que presenta una cavidad resonante con puente de aire en una estructura de HUDS. El equipo tenía como objetivo principal demostrar la versatilidad de la plataforma HUD para integrar una variedad de componentes ópticos manteniendo su rendimiento de vanguardia. Registraron tanto la densidad de distribución de electrones como el índice de refracción local en función de los voltajes de polarización dentro de la configuración. El equipo de investigación ajustó fácilmente la densidad de distribución de electrones y el índice de refracción local aplicando pequeños voltajes.
Luego aplicaron un sesgo directo (flujo de corriente más grande en una dirección) a la configuración para demostrar el cambio del espectro de transmitancia hacia una longitud de onda más corta. Los resultados implicaron el índice de refracción reducido del silicio como se esperaba para el efecto de dispersión del plasma. Los científicos predijeron que 0,48 V sería el voltaje umbral para operar un modulador en una relación de encendido / apagado de 10 dB y observaron un funcionamiento de baja potencia debido al pequeño tamaño y alto Q de la cavidad resonante.
IZQUIERDA:(a) Un esquema de moduladores resonantes revestidos con HUDS en configuración p + pinn +. La vista superior ilustra la cavidad acoplada a la guía de ondas revestida con HUDS, y posiciones de las regiones de dopaje. (b) Vista lateral del dispositivo que ilustra las distribuciones aproximadas de los dopantes p (boro) yn (fósforo). (c) Diseño de cavidad resonante HUDS. (d) Arriba:visualización en pseudo-color de la densidad de electrones simulada (escala logarítmica en C · cm − 3) e inferior:visualización en pseudo-color del índice de distribución de refracción simulado (escala lineal) para el dispositivo p + pinn + como función de la magnitud del voltaje aplicado. DERECHA:(a) Cambio de longitud de onda resonante en función del voltaje aplicado para un rango de voltaje de 0 a 1,2 V. (b) Cambio de longitud de onda resonante como función del voltaje aplicado para un rango de voltaje de 0 a 0,6 V. (c ) Posición del pico de la longitud de onda resonante en función del voltaje aplicado que ilustra los cambios de pico resonantes lineales y pronunciados para voltajes superiores a 0,8 V. (d) El factor de calidad correspondiente de los picos de longitud de onda resonante en función del voltaje aplicado. Crédito:Informes científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
De este modo, Milan M. Milošević y sus colegas demostraron resultados experimentales y de simulación de dispositivos integrados con HUD (sólido desordenado hiperuniforme) para explorar la funcionalidad de HUD como una plataforma flexible y compacta para circuitos integrados fotónicos. Mejoraron el proceso de fabricación del dispositivo para reducir las pérdidas por propagación y optimizaron la transición entre los HUD y las guías de ondas de banda utilizando guías de ondas más anchas y tratamiento posterior a la fabricación. Los científicos emplearon los HUD para facilitar el confinamiento de la luz en cavidades resonantes de PhC (cristal fotónico) predefinidas y mejorar su estabilidad de temperatura.
La isotropía intrínseca (uniformidad en todas las orientaciones) de los nuevos materiales PBG (banda prohibida fotónica) desordenada demostró potencial para el diseño de dispositivos fotónicos al ofrecer compacidad, bajo consumo de energía y estabilidad de temperatura mejorada. Los dispositivos también ofrecían una libertad de diseño sin precedentes sin limitaciones por estructuras cristalinas o periodicidad. El carácter desordenado de los materiales los hizo menos sensibles a los errores de fabricación, en comparación con sus homólogos periódicos. Los dispositivos resonantes basados en HUD demostraron una clara capacidad para guiar y localizar la luz en la región infrarroja con baja pérdida. Los dispositivos HUD proporcionaron nuevos bloques de construcción para diseñar sistemas más complejos con dispositivos pasivos y activos en plataformas de material semiconductor. para nuevas oportunidades en el aumento rentable de las tasas de datos y el almacenamiento de datos.
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