作者:Sangsik Kim 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2023/8/3 22:21:11
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亚波长光栅成功实现波导间的零串扰

 

导读

近日,美国德克萨斯理工大学电子工程系、韩国科学和技术高级研究所Sangsik Kim教授团队,利用各向异性的亚波长光栅成功实现了波导间的零串扰。这对片上微纳光学器件的大规模集成具有重要意义。

研究背景

随着人工智能、量子信息及微纳光子学的发展,大规模、可集成的片上光学系统因其强大的计算能力和多功能的光信息处理,已受到人们的广泛关注。然而,当波导的集成度变高时,波导之间的漏波模式会产生强耦合,从而导致串扰。这使得信息的传输严重失真,从而制约了光学系统的集成度。传统的方法通过加入亚波长光栅,抑制了倏逝波的趋肤深度,从而极大地抑制了波导模式之间的串扰。然而这种方法也有其局限,其一是不能完全消除串扰,其二是只对波导中TE模式有效。在一些具体的应用中,诸如生物成像,气体传感等,TM模式波导扮演了非常重要的角色。因此消除TM模式间的串扰也是一件亟待解决的难题。

创新研究

本文创新性地利用亚波长光栅(SWG)超材料来实现零串扰。通过在光波导中引入非均匀扰动,可以产生漏波模式,这种模式结合了驻波场和辐射波,从而产生了弱电磁耦合。图1展示了四种典型的波导模式。图2数值模拟了不同种类波导的TM0模式的电场分布。展示了混合模式的局域特性。

然后,通过在不同方向上工程化地调制介质扰动,可以使每个方向上的耦合系数相互抵消,从而实现完全的零串扰。如图3所示,作者计算了亚波长光栅波导的有效折射率和有效耦合长度,发现通过调制各个方向的耗散系数,可以使得特定波长范围下串扰被极大抑制。

文章作者团队还刻蚀了波导模型,进行了实验验证。结果表明(见图4),在紧密排列的相同漏波SWG波导之间,与传统带状波导相比,串扰被抑制了约40 dB,对应于约100倍的耦合长度。

本文展示的方法克服传统方法中强电磁耦合的限制,并且能够在光子电路中实现更高的集成密度。此外,在该技术中使用的亚波长光栅超材料可以应用于其他研究领域,例如微波工程或天线设计等领域。

图一:带有亚波长光栅的波导示意图。(蓝色:Si,灰色:SiO2)。(a)一个典型的带状波导,支持一个具有指数衰减的倏逝场的导模。(b)在导模附近放置无限大平板,会导致辐射模式的泄露损失。(c)无限大亚波长光栅阵列可以取代平板,支持泄露模式,但提供各向异性的场振荡。(d)通过截断亚波长光栅,模式将被引导而没有任何辐射损失。同时在各向异性的光栅包层中保留泄露模式的振荡。当与其他波导耦合时,这种泄露可以表现出非传统的各向异性振荡,并可导致零串扰。

图二:带状,无限大亚波长光栅和有限亚波长光栅波导的模式特性。图(a)-(c)分别是这三种波导的截面图。(d)-(f)为每个波导方案中TM0模式的模式剖面。在每一幅图中从上到下绘制了Re[Ey], Re[Ex]和Im[Ez]。剖面现实了(d)为导引模式,(e)为泄露模式,(f)为具有振荡模式的混合模式。

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图三:耦合亚波长光栅波导的TM0模式下的零串扰。

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图四:耦合SWG波导在TM0模式下接近零串扰的实验演示。

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》,题为“Anisotropic leaky-like perturbation with subwavelength gratings enables zero crosstalk” 。Md Faiyaz Kabir为论文的第一作者,Sangsik Kim为论文通讯作者。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

‍相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41377‍-023-0‍1184-5

 
 
 
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