In een nieuw rapport gepubliceerd op Wetenschappelijke rapporten , Milan M. Milošević en een internationaal onderzoeksteam van het Zepler Institute for Photonics and Nanoelectronics, Etaphase Incorporated en de departementen Chemie, Natuurkunde en Sterrenkunde, in de V.S. en het V.K. Introductie van een hyperuniform-wanorde platform om nabij-infrarood (NIR) fotonische apparaten te realiseren, licht detecteren en manipuleren. Ze bouwden het apparaat op een silicium-op-isolator (SOI)-platform om de functionaliteit van de structuren op een flexibele, silicium-geïntegreerd circuit niet beperkt door kristallijne symmetrieën. De wetenschappers rapporteerden resultaten voor passieve apparaatelementen, inclusief golfgeleiders en resonatoren die naadloos zijn geïntegreerd met conventionele golfgeleiders van silicium-op-isolatorstrips en verticale koppelingen. Het hyperuniform-wanordelijke platform verbeterde compactheid en verbeterde energie-efficiëntie, evenals temperatuurstabiliteit, vergeleken met silicium fotonische apparaten vervaardigd op rib- en stripgolfgeleiders.

Wereldwijde academische en commerciële inspanningen op het gebied van siliciumfotonica hebben geleid tot de ontwikkeling van optische datacommunicatie op Terabit-schaal tegen steeds lagere kosten om te voldoen aan de snel groeiende vraag in datacenters. Explosieve groei in cloud computing en entertainment-on-demand stellen steeds hogere kosten en energievereisten voor datatransmissie, verwerking en opslag. Optische interconnecties kunnen traditionele op koper gebaseerde oplossingen vervangen en bieden een gestaag toenemend potentieel om latentie en stroomverbruik te minimaliseren, terwijl de bandbreedte en betrouwbaarheid van de apparaten worden gemaximaliseerd. Siliciumfotonica maakt ook gebruik van grootschalige, complementaire productieprocessen voor metaaloxide-halfgeleiders (CMOS) om hoogwaardige optische transceivers met een hoog rendement tegen lage kosten te produceren. Dankzij de eigenschappen kunnen toepassingen van optische transceivers (glasvezeltechnologie voor het verzenden en ontvangen van gegevens) steeds aantrekkelijker worden over kortere afstanden.

Meer dan drie decennia geleden, natuurkundige Richard Soref identificeerde silicium als een veelbelovend materiaal voor fotonische integratie. Dit leidt tot de huidige gestage ontwikkeling en snelle productie van steeds complexere fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's). Onderzoekers kunnen grote aantallen enorm parallelle compacte energie-efficiënte optische componenten integreren op een enkele chip voor cloud computing-toepassingen, van deep learning tot kunstmatige intelligentie en het internet der dingen. Vergeleken met de beperkte reikwijdte van commerciële siliciumfotonische systemen, Photonic Crystal (PhC) architecturen beloven kleinere apparaatformaten, hoewel ze worden tegengehouden door lay-outbeperkingen die worden opgelegd door golfgeleidervereisten langs de as van het fotonische kristal. Tot voor kort, fotonische bandgap (PBG)-structuren die licht efficiënt geleiden, waren beperkt tot fotonische kristalplatforms. Nutsvoorzieningen, nieuwere klassen van PBG-structuren omvatten fotonische quasikristallen, hyperuniforme ongeordende vaste stoffen (HUD's) en lokale zelf-uniforme structuren.

In het huidige werk, Milosevic et al. introduceerde een HUD-platform (hyperuniform disordered solid) als een lokaal ontwikkeld fotonisch systeem en een generieke architectuur voor fotonische geïntegreerde schakelingen. Ze demonstreerden de ontwerpflexibiliteit en het ingebouwde vermogen van het HUD-platform voor naadloze integratie in vooraf ontworpen optische holtes en golfgeleiders. De silicium-op-isolator (SOI) HUD's hebben een groot potentieel in tal van toepassingen bij optische communicatiegolflengten. In vergelijking met standaard microringresonatoren (MRR's) of Mach-Zehnder-interferometers (MZI's), HUD-resonatoren vertoonden minder temperatuurafhankelijke resonantiegolflengteverschuiving (TDRWS) en verhoogde compactheid. De resultaten onthulden veelbelovende vooruitzichten voor apparaatverbetering en een lager stroomverbruik.

Het team verkreeg eerst een scanning-elektronenmicrofoto (SEM)-afbeelding van een HUD-netwerk dat is gefabriceerd met behulp van elektronenstraallithografie op een 220-nm hoge, SOI-wafeltje. Gevolgd door eindige tijdsdomeinsimulaties van het transmissiespectrum voor transmissie van elektrisch gepolariseerd licht door hyperuniforme netwerken met een gemiddelde scheiding van 500 nm en verschillende wandbreedtes. Milosevic et al. de centrale golflengte van deze bandgaps afgesteld door de wandbreedte van de HUD's aan te passen en de brede bandgaps stelden hen in staat een golflengtebereik van 1,50 tot 1,58 micrometer (µm) te bestrijken, zodat de netwerken zeer geschikt zijn voor het ontwerp van fotonische circuits.

De wetenschappers ontwierpen en ontwikkelden golfgeleiders als een reeks in-line defecten door een rij polygoonvormige luchtcellen langs gewenste paden te vervangen door gevuld silicium. De SEM-afbeeldingen van gefabriceerde SOI HUD-golfgeleiders maakten een verscheidenheid aan optimalisatiebenaderingen mogelijk om de transmissie door het golfgeleiderkanaal te vergroten. Om terugverstrooiingsverliezen te minimaliseren, ze optimaliseerden de golfgeleiderstructuur via eenstapsoptimalisatie, waardoor het aanvankelijke hoge terugverstrooiingsverlies aanzienlijk werd verminderd. Het team observeerde het transmissiespectrum via HUD-golfgeleiders voor en na optimalisatie en transmissie in de afwezigheid van het golfgeleiderkanaal om experimenteel een verbetering van 17 dB bij ongeveer 1550 nm te verifiëren.

Het HUD-platform ondersteunde een rijke reeks nieuwe resonatorontwerpen, waaronder resonantieholtes met symmetrieën die niet beschikbaar zijn in fotonische kristalstructuren. Het HUD-platform was ook veelzijdig en flexibel voor nieuwe soorten holtes en golfgeleiderontwerpen, waardoor naadloze integratie in ultramoderne ontwerpen mogelijk was, met behoud van een zeer hoge kwaliteitsfactor (Q) (signaalkwaliteit van een optisch kanaal). De aanpak maakte het op voordelige wijze mogelijk om elk apparaat met minimale inspanning op hetzelfde platform te integreren met vrije vorm HUDsiaanse bekleding, mits de onderzoekers zorgden voor een goede isolatie van de verschillende onderdelen. Op basis van simulaties, ze vonden de voetafdruk van het HUD-apparaat klein, maar de Q-factor bleef groot.

Milosevic et al. onderzocht vervolgens een elektrisch gestuurde optische modulator met een luchtgebrugde resonantieholte in een HUDS-structuur. Het team wilde vooral de veelzijdigheid van het HUD-platform demonstreren om een ​​verscheidenheid aan optische componenten te integreren met behoud van hun ultramoderne prestaties. Ze registreerden zowel de elektronendistributiedichtheid als de lokale brekingsindex als een functie van de voorspanningen binnen de opstelling. Het onderzoeksteam kon de elektronendistributiedichtheid en de lokale brekingsindex gemakkelijk afstemmen door kleine spanningen toe te passen.

Vervolgens pasten ze een voorwaartse bias (stroom van grotere stroom in één richting) toe op de opstelling om de verschuiving van het transmissiespectrum naar een kortere golflengte aan te tonen. De resultaten impliceerden de verminderde brekingsindex van silicium zoals verwacht voor het plasmadispersie-effect. De wetenschappers voorspelden dat 0,48 V de drempelspanning zou zijn om een ​​modulator te laten werken met een aan/uit-verhouding van 10 dB en observeerden een laag vermogen vanwege de kleine omvang en hoge Q van de resonantieholte.

Op deze manier, Milan M. Milošević en collega's demonstreerden experimentele en simulatieresultaten van HUD (hyperuniform ongeordende solide) geïntegreerde apparaten om de HUD-functionaliteit als een flexibel en compact platform voor fotonische geïntegreerde schakelingen te verkennen. Ze verbeterden het fabricageproces van het apparaat om voortplantingsverliezen te verminderen en optimaliseerden de overgang tussen de HUD's en stripgolfgeleiders met behulp van bredere golfgeleiders en nabewerking van de behandeling. De wetenschappers gebruikten de HUD's om lichtopsluiting in vooraf gedefinieerde PhC-resonantieholtes (fotonisch kristal) te vergemakkelijken en hun temperatuurstabiliteit te verbeteren.

De intrinsieke isotropie (uniformiteit in alle oriëntaties) van de nieuwe ongeordende PBG-materialen (photonic band gap) toonde potentieel aan voor het ontwerpen van fotonische apparaten door compactheid, laag stroomverbruik en verbeterde temperatuurstabiliteit. De apparaten boden ook ongekende ontwerpvrijheid zonder beperkingen door kristallijne structuren of periodiciteit. Het ongeordende materiaalkarakter maakte ze minder gevoelig voor fabricagefouten, vergeleken met hun periodieke tegenhangers. De op HUD gebaseerde resonantieapparaten toonden een duidelijk vermogen om licht in het infraroodgebied met weinig verlies te geleiden en te lokaliseren. De HUD-apparaten leverden nieuwe bouwstenen voor het ontwerpen van complexere systemen met passieve en actieve apparaten in halfgeleidermateriaalplatforms, voor nieuwe kansen op het gebied van kosteneffectieve hogere datasnelheden en dataopslag.

© 2020 Wetenschap X Netwerk