Jul 19, 2023
결합된 하이브리드 플라즈몬 도파관을 기반으로 한 초단거리 광대역 편광 빔 스플리터
Scientific Reports 6권, 기사 번호: 19609(2016) 이 기사 인용 3044 액세스 47 인용 1 Altmetric Metrics 세부 정보 초소형 광대역 편광 빔 분할기(PBS)를 제안합니다.
Scientific Reports 6권, 기사 번호: 19609(2016) 이 기사 인용
3044 액세스
47 인용
1 알트메트릭
측정항목 세부정보
우리는 결합된 하이브리드 플라즈몬 도파관(HPW)을 기반으로 한 초소형 광대역 편광 빔 스플리터(PBS)를 제안합니다. 제안된 PBS는 추가 결합 영역에 의존하지 않고 수직 나노크기 간격이 있는 구부러진 하부 HPW와 수평 나노크기 간격이 있는 직선 상부 HPW를 각각 사용하여 횡전기(TE) 및 횡자기(TM) 모드를 분리합니다. 이 설계는 PBS의 길이를 서브미크론 규모(920nm, 현재까지 보고된 가장 짧은 PBS)로 상당히 줄이는 동시에 ~19dB(~18dB)의 편광 소광비(PER)와 ~0.6의 삽입 손실(IL)을 제공합니다. 400nm의 매우 넓은 대역(λ = 1300nm ~ 1700nm, 두 번째 및 세 번째 통신 창 전체를 포함)에 걸쳐 TE(TM) 모드의 경우 dB(~0.3dB)입니다. 설계된 PBS의 길이는 620nm로 더 줄어들면서 여전히 15dB의 PER을 제공하여 밀도가 높은 광자 집적 회로를 실현할 수 있습니다. 제작 허용 오차를 고려하여 설계된 PBS는 ±20nm의 큰 기하학적 편차를 허용하는 동시에 10nm보다 작은 나노 규모 간격의 경우를 제외하고 PER 변동을 1dB 이내로 제한합니다. 또한 제안된 PBS의 입력 및 출력 결합 효율성도 해결합니다.
광통신 시스템의 계속 증가하는 전송 요구를 충족하기 위해 PDM(편파 분할 다중화)은 칩 규모 광자 집적 회로(PIC)1,2,3,4,5의 광 신호를 조작하는 데 중추적인 역할을 합니다. TE(횡전기) 모드와 TM(횡자기) 모드를 분리하는 PBS(편파 빔 분할기)는 PDM4의 필수 구성 요소이며 두 가지 편광 모드를 독립적으로 처리하여 트래픽 대역폭을 두 배로 늘립니다. PBS를 평가하는 데 사용되는 다양한 기준에는 장치 크기, PER(분극 소멸비), IL(삽입 손실), 작동 대역폭, 제조 공차 및 구조 복잡성이 포함됩니다. 이 중에서 만족스러운 장치 성능을 유지하면서 PBS 크기를 최소화하는 것은 일관된 수신기를 구성하는 데 바람직하며 차세대 초고밀도 PIC를 개발하는 데 매우 중요합니다. 수년에 걸쳐 다양한 유형의 PBS5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31,32,33,34,35 다양한 설계를 활용하고 단열 모드 진화(AME) 장치6,7, 방향성 커플러(DC)8,9,10, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 다중 모드 간섭(MMI) 장치21,22,23,24,25, 마하젠더 간섭계(MZI)26,27,28, 광결정 (PhC)29,30,31 및 격자31,32,33 구조. 대부분의 PBS6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,28,32,33,34는 실리콘을 채택했습니다. SOI(On-Insulator) 플랫폼은 이러한 플랫폼의 높은 굴절률 대비 특성을 활용하여 장치 크기를 효과적으로 줄입니다.
만족스러운 PER을 달성하려면 AME 기반 PBS6,7는 천천히 진화하는 형상으로 인해 매우 길어야 하지만(>200μm) 제작 허용 오차와 광대역 작동 요구 사항이 덜 엄격합니다. DC 기반 PBS8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20의 장치 길이는 합리적인 PER(10-20dB)을 사용하여 수 ~ 수십 마이크로미터로 줄일 수 있습니다. ), 정밀하게 조정된 결합으로 위상 일치 모드를 활용해야 하기 때문에 작동 대역폭은 AME 기반 PBS의 대역폭보다 좁습니다. MMI 기반 PBS21,22,23,24,25는 AME 기반 PBS보다 제조 공정이 간단하고 제조 허용 오차가 더 큽니다. 그러나 기존 MMI 장치35,36의 크기는 TE 및 TM 모드의 자체 이미징 길이37의 공배수에 의해 결정되므로 장치가 매우 길어집니다(>1000μm). MMI 기반 PBS의 길이를 단축하기 위해 최근 2모드 간섭(~8.8μm), 2×2 2모드 간섭(~0.94μm)을 포함한 몇 가지 혁신적인 설계가 보고되었습니다. 전체 PBS, 입력/출력 부분의 길이가 포함되어야 함), 금속-절연체-금속(MIM)-임베디드22(~44μm), 하이브리드 플라즈몬 도파관(HPW)24(~2.5μm) 및 계단식25(<950μm) ) MMI. 현재까지 보고된 가장 짧은 PBS는 HPW(하이브리드 플라즈몬 도파관)24를 활용하고 80nm 대역폭에 걸쳐 PER >10dB로 서브미크론 길이를 달성한 MMI에 대해 얻은 것입니다. MZI 기반 PBS26,27,28는 복굴절이 높은 재료를 요구하는 것 외에도 장치 길이가 너무 길었습니다(300-3000μm). 수십 마이크로미터의 장치 길이를 생성할 수 있는 다른 옵션은 PhC 기반 PBS29,30,31 및 격자 기반 PBS32,33,34를 사용하는 장치입니다. 전자의 단점은 제조가 복잡하고 산란으로 인한 손실이 상대적으로 크다는 것입니다. 후자는 비슷하게 복잡한 제조 공정을 갖는 것 외에도 PIC에 통합하기가 어렵습니다.
20 dB). However, the device lengths were longer than those13,14 of asymmetrical DC structures. The shortest three-dimensional DC-based PBS with an HPW structure19 (~2.5 μm) adopted a copper nanorod array placed between two silicon waveguides. Using the localized surface plasmon resonance between the silicon waveguides, the TE mode was effectively coupled to the cross-channel, significantly reducing the device length and yielding a PER of ~15 dB./p> 18 dB and IL < 0.6 dB at R = 800 nm), the dimensions of the proposed PBS must be about 920 nm × 920 nm × 455 nm (the smallest PBS yet designed) and thus, the proposed design has great potential to realize high-density PICs with good performance. Another pivotal characteristic for assessing a PBS is its operating bandwidth with satisfactory PER and IL. Considering the used material dispersions48,49, Fig. 5(c,d) show PER and IL versus the operating wavelength λ between 1,300 nm and 1,700 nm. The results show that the proposed PBS can be operated over a broad bandwidth of 400 nm with PER > 17 dB and IL < 0.6 dB for both modes. With operation over a narrower bandwidth of 200 nm (from 1400 nm to 1600 nm), the PERs can be improved to greater than 18 dB. From Fig. 5(c,d), we observe that the PERs and ILs of the designed PBS are wavelength-insensitive, because of the lack of phase-matched conditions with precise coupling that are required in DC- and MMI-based PBSs. Finally, the fabrication tolerance was also investigated to identify the geometric parameters that significantly affect the performance of the present design. The degradations of the PERs and ILs with variations in w1, w3, h1, h2 and h4 were all within 1 dB and 0.2 dB, respectively, even when these parameters were varied by up to ±20 nm. This stability results from the majority of the energies of the hybrid SPP modes being concentrated in the thin SiO2 layers (i.e., those with the geometric parameters of h3 and w2). Consequently, we first studied the PERs and ILs while varying h3 (Δh3) and the results are shown in Fig. 6(a,b). The considered values of Δh3 range from −2 nm to 5 nm, because the originally designed thickness h3 was only 5 nm. For the TM mode, the values of PERTM and ILTM were moderately influenced by Δh3. It can be understood that a large portion of the energy resides in the upper Si region, in addition to that concentrated in the thin SiO2 gap. In contrast, as expected, PERTE and ILTE are approximately constant as h3 varies. The other critical geometrical parameter is the width (w2) of the vertical SiO2 regions supporting the TE mode. The calculated PERs and ILs are shown in Fig. 6(c,d), respectively. Clearly, PERTM and ILTM are slightly influenced by Δw2, as expected. In contrast to PERTM, PERTE is significantly influenced by Δw2, as shown in Fig. 6(c). This difference results from greater values of w2 causing looser energy confinement in the TE mode. Therefore, more energy is coupled to port 2 because of larger bending radiation. This causes PERTE to be reduced significantly. In contrast, shrinking the width of SiO2 increases PERTE due to better energy confinement. From the above discussions of the fabrication tolerances, the width w2 results in the most significant influence on PERTE. As a result, we conclude that the ability to precisely control the critical parameter w2 determines the PERTE performance of the proposed PBS. Fortunately, the other geometrical parameters besides w2 have more moderate influences on the PERs and ILs. The results confirm the high fabrication tolerances of the proposed PBS, except for with respect to Δw2. For further improving the PERs of TE and TM simultaneously to better values larger than 20 dB, we can decrease the thicknesses of SiO2 layers between Si and Ag. For instance, the PERs of the TE mode are 21.0 dB and 22.1 dB at the conditions of w2 = 4 nm and 3 nm, respectively, as shown in Fig. 6 (c). As for the TM mode, the PER is 20.2 dB at the condition of h3 = 2 nm, which is not involved in Fig. 6(a). Certainly, the fabrication precision will be severer. However, if only the higher PERTE is concerned, increasing the radius of curvature of the bent waveguide to 1100 nm can reach 20.85 dB./p>15 dB. These results indicate that the proposed PBS has the potential to realize high-density PICs with satisfactory performances./p>
한국어
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
Русский
홈페이지