Le protocole pour générer des structures de réseau de parois désordonnées hyperuniformes (a) De gauche à droite :treillis triangulaire, son spectre de Fourier et le protocole de double tessellation qui donne un réseau en nid d'abeille. (b) De gauche à droite :motif ponctuel hyperuniforme furtif, son spectre de Fourier, et le protocole de double tessellation qui le transforme en un réseau désordonné trièdre coordonné. Crédit: Rapports scientifiques , doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Dans un nouveau rapport publié le Rapports scientifiques , Milan M. Milošević et une équipe de recherche internationale de l'Institut Zepler pour la photonique et la nanoélectronique, Etaphase Incorporated et les départements de chimie, Physique et Astronomie, aux États-Unis et au Royaume-Uni. Introduction d'une plate-forme hyperuniforme désordonnée pour réaliser des dispositifs photoniques dans le proche infrarouge (NIR) pour créer, détecter et manipuler la lumière. Ils ont construit l'appareil sur une plate-forme de silicium sur isolant (SOI) pour démontrer la fonctionnalité des structures d'une manière flexible, circuit intégré au silicium non contraint par des symétries cristallines. Les scientifiques ont rapporté des résultats pour des éléments de dispositifs passifs, y compris des guides d'ondes et des résonateurs parfaitement intégrés aux guides d'ondes conventionnels en bande de silicium sur isolant et aux coupleurs verticaux. La plate-forme hyperuniforme désordonnée a amélioré la compacité et l'efficacité énergétique ainsi que la stabilité de la température, par rapport aux dispositifs photoniques au silicium fabriqués sur des guides d'ondes à nervures et à bandes.
Les efforts académiques et commerciaux dans le monde entier dans le domaine de la photonique sur silicium ont conduit à concevoir des communications de données optiques à l'échelle du térabit à des coûts de plus en plus bas pour répondre à la demande croissante dans les centres de données. La croissance explosive du cloud computing et du divertissement à la demande entraîne des coûts et des besoins énergétiques de plus en plus élevés pour la transmission de données, traitement et stockage. Les interconnexions optiques peuvent remplacer les solutions traditionnelles à base de cuivre pour offrir un potentiel en constante augmentation pour minimiser la latence et la consommation d'énergie, tout en maximisant la bande passante et la fiabilité des appareils. La photonique sur silicium exploite également à grande échelle, procédés de fabrication de semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires (CMOS) pour produire des émetteurs-récepteurs optiques hautes performances avec un rendement élevé à faible coût. Les propriétés permettent aux applications des émetteurs-récepteurs optiques (technologie à fibre optique pour envoyer et recevoir des données) d'être de plus en plus convaincantes sur des distances plus courtes.
Il y a plus de trois décennies, Le physicien Richard Soref a identifié le silicium comme un matériau prometteur pour l'intégration photonique. Conduisant au développement constant actuel et à la production rapide de circuits intégrés photoniques (PIC) de plus en plus complexes. Les chercheurs peuvent intégrer un grand nombre de composants optiques compacts massivement parallèles économes en énergie sur une seule puce pour les applications de cloud computing, de l'apprentissage en profondeur à l'intelligence artificielle et à l'Internet des objets. Par rapport à la portée limitée des systèmes photoniques au silicium commerciaux, les architectures à cristal photonique (PhC) promettent des tailles d'appareils plus petites, bien qu'ils soient retenus par les contraintes de disposition imposées par les exigences des guides d'ondes le long de l'axe du cristal photonique. Jusque récemment, Les structures à bande interdite photonique (PBG) qui guident efficacement la lumière étaient limitées aux plates-formes de cristaux photoniques. Maintenant, les nouvelles classes de structures PBG comprennent les quasicristaux photoniques, solides désordonnés hyperuniformes (HUD) et structures locales auto-uniformes.
(a) Image de micrographie électronique à balayage d'une structure de réseau SOI HUD fabriquée avec une largeur de paroi de 140 nm. (b) Les résultats de la transmission simulée montrent que la position et la largeur de la bande interdite pour le réseau HUDS avec un espacement moyen du réseau de 500 nm sont réglables en faisant varier les largeurs de paroi. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Dans le travail present, Milosevic et al. a introduit une plate-forme HUD (hyperuniforme désordre désordonné) en tant que système photonique conçu localement et architecture générique pour les circuits intégrés photoniques. Ils ont démontré la flexibilité de conception de la plate-forme HUD et sa capacité intégrée à une intégration transparente dans des cavités optiques et des guides d'ondes préconçus. Les HUD silicium sur isolant (SOI) ont un grand potentiel dans une multitude d'applications aux longueurs d'onde de communication optique. Par rapport aux résonateurs à micro-anneaux standard (MRR) ou aux interféromètres de Mach-Zehnder (MZI), Les résonateurs HUD présentaient un décalage de longueur d'onde de résonance moins dépendant de la température (TDRWS) et une compacité accrue. Les résultats ont révélé des perspectives prometteuses pour l'amélioration des appareils et la réduction de la consommation d'énergie.
L'équipe a d'abord obtenu une image au microscope électronique à balayage (MEB) d'un réseau HUD fabriqué par lithographie par faisceau d'électrons sur une hauteur de 220 nm, Plaquette SOI. Suivi par des simulations dans le domaine temporel aux différences finies du spectre de transmission pour la lumière polarisée électrique de transmission à travers des réseaux hyperuniformes avec une séparation moyenne de 500 nm et différentes largeurs de paroi. Milosevic et al. réglé la longueur d'onde centrale de ces bandes interdites en modifiant la largeur de la paroi des HUD et les larges bandes interdites leur ont permis de couvrir une plage de longueurs d'onde de 1,50 à 1,58 micromètres (µm) pour que les réseaux soient bien adaptés à la conception de circuits photoniques.
(a) Image SEM d'un guide d'ondes SOI HUD fabriqué en sautant simplement une rangée de trous d'air gravés. (b) Image SEM d'un guide d'ondes SOI HUD fabriqué (y compris l'optimisation de la conception). (c) Le spectre de transmission mesuré expérimentalement comparant les performances du guide d'ondes HUD avant (a) et après (b) l'optimisation de la conception montre une amélioration de 17 dB. Un spectre de transmission plat sur une large plage a été obtenu après optimisation du guide d'ondes. (d) Spectre de transmission mesuré expérimentalement comparant les pertes de couplage du guide d'ondes HUD optimisé et d'un guide d'ondes à bande de silicium. Des pertes d'insertion de ~2–3 dB ont été obtenues en raison de la perte de couplage entrée/sortie entre le guide d'ondes HUD et le reste des dispositifs. Ici, w représente la largeur uniforme des parois du réseau, t est l'épaisseur du guide d'ondes (hauteur), et W est la séparation cellulaire moyenne et également la largeur fixe du canal de guide d'ondes en (b). L'étiquette « non guidée » en (c) fait référence à la structure HUDS sans canal de guide d'ondes intégré. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Les scientifiques ont conçu et développé des guides d'ondes comme une série de défauts en ligne en remplaçant une rangée de cellules à air en forme de polygone le long des chemins souhaités par du silicium rempli. Les images SEM des guides d'ondes SOI HUD fabriqués ont permis une variété d'approches d'optimisation pour augmenter la transmission à travers le canal du guide d'ondes. Pour minimiser les pertes de rétrodiffusion, ils ont optimisé la structure du guide d'ondes via une optimisation en une étape, ce qui a considérablement réduit la perte initiale de rétrodiffusion élevée. L'équipe a observé le spectre de transmission à travers les guides d'ondes HUD avant et après l'optimisation et la transmission en l'absence du canal du guide d'ondes pour vérifier expérimentalement une amélioration de 17 dB à environ 1550 nm.
La plate-forme HUD a pris en charge un riche ensemble de nouvelles conceptions de résonateurs, y compris des cavités résonantes avec des symétries non disponibles dans les structures cristallines photoniques. La plate-forme HUD était également polyvalente et flexible pour les nouveaux types de cavités et de conceptions de guides d'ondes, permettant une intégration transparente dans des conceptions de pointe, tout en conservant un facteur de qualité (Q) très élevé (qualité du signal d'un canal optique). L'approche a avantageusement permis d'intégrer n'importe quel appareil avec un effort minimal sur la même plate-forme avec un revêtement HUDsian de forme libre, à condition que les chercheurs aient prévu une isolation appropriée des différents composants. Sur la base de simulations, ils ont trouvé que l'empreinte de l'appareil HUD était petite mais que le facteur Q restait important.
(a) Profil de champ de mode simulé pour une cavité avec un facteur Q supérieur à 20, 000 dans une dalle HUDS avec polarisation TE PBG. (b) Profil de champ de mode simulé de la cavité à cristal photonique recouverte de HUDS avec un facteur Q de 1 million. (c) Profil de champ de mode simulé du mode de résonance d'un filtre à cavité-guide d'ondes basé sur HUDS et (d) son spectre de transmission simulé. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Milosevic et al. ont ensuite étudié un modulateur optique à commande électrique comportant une cavité résonante à pont d'air dans une structure HUDS. L'équipe visait principalement à démontrer la polyvalence de la plate-forme HUD pour intégrer une variété de composants optiques tout en maintenant leurs performances de pointe. Ils ont enregistré à la fois la densité de distribution des électrons et l'indice de réfraction local en fonction des tensions de polarisation au sein de l'installation. L'équipe de recherche a facilement réglé la densité de distribution des électrons et l'indice de réfraction local en appliquant de petites tensions.
Ils ont ensuite appliqué une polarisation directe (flux de courant plus important dans une direction) à la configuration pour démontrer le décalage du spectre de transmittance vers une longueur d'onde plus courte. Les résultats impliquaient l'indice de réfraction réduit du silicium comme prévu pour l'effet de dispersion du plasma. Les scientifiques ont prédit que 0,48 V serait la tension de seuil pour faire fonctionner un modulateur à un rapport marche/arrêt de 10 dB et ont observé un fonctionnement à faible puissance en raison de la petite taille et du Q élevé de la cavité résonante.
À GAUCHE :(a) Un schéma de modulateurs résonants revêtus de HUDS en configuration p+pinn+. La vue de dessus illustre une cavité couplée à un guide d'ondes revêtue de HUDS, et les positions des régions de dopage. (b) Vue latérale du dispositif illustrant les distributions approximatives des dopants p (Bore) et n (Phosphore). (c) Conception de la cavité résonante HUDS. (d) En haut :affichage pseudo-couleur de la densité électronique simulée (échelle logarithmique en C·cm−3) et en bas :affichage pseudo-couleur de la distribution de l'indice de réfraction simulé (échelle linéaire) pour le dispositif p+pinn+ en fonction de l'amplitude de la tension appliquée. DROITE :(a) Décalage de longueur d'onde de résonance en fonction de la tension appliquée pour une plage de tension de 0 à 1,2 V. (b) Décalage de longueur d'onde de résonance en fonction de la tension appliquée pour une plage de tension de 0 à 0,6 V. (c ) Position du pic de longueur d'onde de résonance en fonction de la tension appliquée illustrant les décalages de pic de résonance linéaires et abrupts pour des tensions supérieures à 0,8 V. (d) Le facteur de qualité correspondant des pics de longueur d'onde de résonance en fonction de la tension appliquée. Crédit :Rapports scientifiques, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
De cette façon, Milan M. Milošević et ses collègues ont démontré les résultats expérimentaux et de simulation de dispositifs intégrés HUD (hyperuniform désordreed solid) pour explorer la fonctionnalité HUD en tant que plate-forme flexible et compacte pour les circuits intégrés photoniques. Ils ont amélioré le processus de fabrication du dispositif pour réduire les pertes de propagation et optimisé la transition entre les HUD et les guides d'ondes en bande en utilisant des guides d'ondes plus larges et un traitement post-fabrication. Les scientifiques ont utilisé les HUD pour faciliter le confinement de la lumière dans des cavités résonantes PhC (cristal photonique) prédéfinies et améliorer leur stabilité de température.
L'isotropie intrinsèque (uniformité dans toutes les orientations) des nouveaux matériaux PBG désordonnés (bande interdite photonique) a démontré un potentiel pour la conception de dispositifs photoniques en offrant une compacité, faible consommation d'énergie et stabilité de température améliorée. Les dispositifs offraient également une liberté de conception sans précédent sans limitations de structures cristallines ou de périodicité. Le caractère désordonné des matériaux les rendait moins sensibles aux erreurs de fabrication, par rapport à leurs homologues périodiques. Les dispositifs résonants basés sur le HUD ont démontré une capacité claire à guider et à localiser la lumière dans la région infrarouge avec une faible perte. Les dispositifs HUD ont fourni de nouveaux blocs de construction pour concevoir des systèmes plus complexes comportant des dispositifs passifs et actifs dans des plates-formes de matériaux semi-conducteurs, pour de nouvelles opportunités en termes de débits de données et de stockage de données accrus de manière rentable.
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