Il protocollo per generare strutture di reti murarie disordinate iperuniformi (a) Da sinistra a destra:reticolo triangolare, il suo spettro di Fourier e il protocollo di doppia tassellatura che produce una rete a nido d'ape. (b) Da sinistra a destra:schema puntiforme iperuniforme furtivo, il suo spettro di Fourier, e il protocollo di doppia tessellation che lo trasforma in una rete disordinata treedricamente coordinata. Credito: Rapporti scientifici , doi:10.1038/s41598-019-56692-5
In un nuovo rapporto pubblicato su Rapporti scientifici , Milan M. Milošević e un gruppo di ricerca internazionale presso lo Zepler Institute for Photonics and Nanoelectronics, Etaphase Incorporated e i Dipartimenti di Chimica, Fisica e Astronomia, negli Stati Uniti e nel Regno Unito ha introdotto una piattaforma disordinata iperuniforme per realizzare dispositivi fotonici nel vicino infrarosso (NIR) per creare, rilevare e manipolare la luce. Hanno costruito il dispositivo su una piattaforma SOI (silicio su isolante) per dimostrare la funzionalità delle strutture in modo flessibile, circuito integrato al silicio non vincolato da simmetrie cristalline. Gli scienziati hanno riportato risultati per elementi di dispositivi passivi, comprese guide d'onda e risonatori perfettamente integrati con le tradizionali guide d'onda a striscia di silicio su isolante e accoppiatori verticali. La piattaforma con disordine iperuniforme ha migliorato la compattezza e una maggiore efficienza energetica, nonché la stabilità della temperatura, rispetto ai dispositivi fotonici al silicio fabbricati su guide d'onda a coste e strisce.
Gli sforzi accademici e commerciali in tutto il mondo nel campo della fotonica del silicio hanno portato a progettare comunicazioni di dati ottici su scala Terabit a costi sempre più bassi per soddisfare la domanda in rapida crescita nei data center. La crescita esplosiva del cloud computing e dell'intrattenimento on demand pone costi e requisiti energetici sempre più impegnativi per la trasmissione dei dati, elaborazione e conservazione. Le interconnessioni ottiche possono sostituire le tradizionali soluzioni a base di rame per offrire un potenziale in costante aumento per ridurre al minimo la latenza e il consumo energetico, massimizzando la larghezza di banda e l'affidabilità dei dispositivi. La fotonica del silicio sfrutta anche su larga scala, processi di produzione di semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) per produrre ricetrasmettitori ottici ad alte prestazioni con un alto rendimento a basso costo. Le proprietà consentono alle applicazioni dei ricetrasmettitori ottici (tecnologia in fibra ottica di inviare e ricevere dati) di essere sempre più convincenti su distanze più brevi.
Più di tre decenni fa, il fisico Richard Soref ha identificato il silicio come un materiale promettente per l'integrazione fotonica. Portando all'attuale sviluppo costante e alla rapida produzione di circuiti integrati fotonici (PIC) sempre più complessi. I ricercatori possono integrare un gran numero di componenti ottici compatti e massicciamente paralleli ad alta efficienza energetica su un singolo chip per applicazioni di cloud computing, dal deep learning all'intelligenza artificiale e all'Internet delle cose. Rispetto alla portata limitata dei sistemi fotonici al silicio commerciali, Le architetture a cristalli fotonici (PhC) promettono dispositivi di dimensioni inferiori, sebbene siano trattenuti dai vincoli di layout imposti dai requisiti della guida d'onda lungo l'asse del cristallo fotonico. Fino a poco tempo fa, Le strutture con gap di banda fotonica (PBG) che guidano in modo efficiente la luce erano limitate alle piattaforme di cristalli fotonici. Ora, classi più recenti di strutture PBG includono quasicristalli fotonici, solidi disordinati iperuniformi (HUD) e strutture autouniformi locali.
(a) Immagine al microscopio elettronico a scansione di una struttura di rete SOI HUD fabbricata con una larghezza della parete di 140 nm. (b) I risultati della trasmissione simulata mostrano che la posizione e la larghezza del bandgap per la rete HUDS con una spaziatura reticolare media di 500 nm è sintonizzabile variando le larghezze delle pareti. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Nel presente lavoro, Milosevic et al. ha introdotto una piattaforma HUD (solido disordinato iperuniforme) come sistema fotonico ingegnerizzato localmente e un'architettura generica per circuiti integrati fotonici. Hanno dimostrato la flessibilità di progettazione della piattaforma HUD e la capacità integrata di un'integrazione perfetta in cavità ottiche e guide d'onda pre-progettate. Gli HUD silicio su isolante (SOI) hanno un grande potenziale in una serie di applicazioni a lunghezze d'onda di comunicazione ottica. Rispetto ai risonatori a micro-anello standard (MRR) o agli interferometri di Mach-Zehnder (MZI), I risonatori HUD hanno mostrato uno spostamento della lunghezza d'onda risonante (TDRWS) meno dipendente dalla temperatura e una maggiore compattezza. I risultati hanno rivelato prospettive promettenti per il miglioramento del dispositivo e un minor consumo energetico.
Il team ha prima ottenuto un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di una rete HUD fabbricata utilizzando la litografia a fascio di elettroni su un'altezza di 220 nm, wafer SOI. Seguono simulazioni nel dominio del tempo alle differenze finite dello spettro di trasmissione per la trasmissione di luce elettrica polarizzata attraverso reti iperuniformi con una separazione media di 500 nm e varie larghezze di parete. Milosevic et al. ha sintonizzato la lunghezza d'onda centrale di questi gap di banda modificando la larghezza della parete degli HUD e gli ampi gap di banda hanno permesso loro di coprire un intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 1,50 e 1,58 micrometri (µm) affinché le reti fossero adatte alla progettazione di circuiti fotonici.
(a) Immagine SEM di una guida d'onda SOI HUD fabbricata semplicemente saltando una fila di fori d'aria incisi. (b) Immagine SEM di una guida d'onda HUD SOI fabbricata (inclusa l'ottimizzazione del design). (c) Lo spettro di trasmissione misurato sperimentalmente confrontando le prestazioni della guida d'onda HUD prima (a) e dopo (b) l'ottimizzazione del design mostra un miglioramento di 17 dB. Dopo l'ottimizzazione della guida d'onda è stato ottenuto uno spettro di trasmissione piatto su un'ampia gamma. (d) Spettro di trasmissione misurato sperimentalmente confrontando le perdite di accoppiamento della guida d'onda HUD ottimizzata e una guida d'onda a striscia di silicio. Perdite di inserzione di ~2–3 dB sono state ottenute a causa della perdita di accoppiamento ingresso/uscita tra la guida d'onda HUD e il resto dei dispositivi. Qui, w rappresenta la larghezza uniforme delle pareti della rete, t è lo spessore della guida d'onda (altezza), e W è la separazione media delle celle e anche la larghezza fissa del canale della guida d'onda in (b). L'etichetta "non guidata" in (c) si riferisce alla struttura HUDS senza un canale di guida d'onda incorporato in essa. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Gli scienziati hanno progettato e sviluppato guide d'onda come una serie di difetti in linea sostituendo una fila di celle d'aria a forma di poligono lungo i percorsi desiderati con silicio riempito. Le immagini SEM delle guide d'onda SOI HUD fabbricate hanno consentito una varietà di approcci di ottimizzazione per aumentare la trasmissione attraverso il canale della guida d'onda. Per ridurre al minimo le perdite di retrodiffusione, hanno ottimizzato la struttura della guida d'onda tramite l'ottimizzazione one-step, che ha sostanzialmente ridotto l'elevata perdita di retrodiffusione iniziale. Il team ha osservato lo spettro di trasmissione attraverso le guide d'onda HUD prima e dopo l'ottimizzazione e la trasmissione in assenza del canale della guida d'onda per verificare sperimentalmente un miglioramento di 17 dB a circa 1550 nm.
La piattaforma HUD supportava una ricca serie di nuovi progetti di risonatori, comprese cavità risonanti con simmetrie non disponibili nelle strutture a cristalli fotonici. La piattaforma HUD era anche versatile e flessibile per nuovi tipi di cavità e progetti di guide d'onda consentendo un'integrazione perfetta in progetti all'avanguardia, mantenendo un fattore di qualità (Q) molto elevato (qualità del segnale di un canale ottico). L'approccio vantaggiosamente ha permesso di integrare qualsiasi dispositivo con il minimo sforzo sulla stessa piattaforma con rivestimento HUDsiano a forma libera, a condizione che i ricercatori abbiano predisposto un adeguato isolamento dei vari componenti. Sulla base di simulazioni, hanno scoperto che l'ingombro del dispositivo HUD è piccolo ma il fattore Q rimane grande.
(a) Profilo di campo in modalità simulata per una cavità con un fattore Q maggiore di 20, 000 in una lastra HUDS con polarizzazione TE PBG. (b) Profilo di campo in modalità simulata della cavità di cristallo fotonico rivestita di HUDS con un fattore Q di 1 milione. (c) Profilo di campo in modalità simulata della modalità risonante di un filtro a guida d'onda a cavità basato su HUDS e (d) il suo spettro di trasmissione simulato. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
Milosevic et al. successivamente ha studiato un modulatore ottico a controllo elettrico dotato di una cavità risonante a ponte d'aria in una struttura HUDS. Il team mirava principalmente a dimostrare la versatilità della piattaforma HUD per integrare una varietà di componenti ottici mantenendo le loro prestazioni all'avanguardia. Hanno registrato sia la densità di distribuzione degli elettroni che l'indice di rifrazione locale in funzione delle tensioni di polarizzazione all'interno della configurazione. Il team di ricerca ha facilmente regolato la densità di distribuzione degli elettroni e l'indice di rifrazione locale applicando piccole tensioni.
Hanno quindi applicato una polarizzazione diretta (flusso di corrente maggiore in una direzione) alla configurazione per dimostrare lo spostamento dello spettro di trasmittanza verso una lunghezza d'onda più corta. I risultati hanno implicato il ridotto indice di rifrazione del silicio come previsto per l'effetto di dispersione del plasma. Gli scienziati hanno previsto che 0,48 V fosse la tensione di soglia per far funzionare un modulatore con un rapporto on/off di 10 dB e hanno osservato un funzionamento a bassa potenza a causa delle dimensioni ridotte e dell'elevato Q della cavità risonante.
A SINISTRA:(a) Uno schema di modulatori risonanti rivestiti con HUDS in configurazione p+pinn+. La vista dall'alto illustra la cavità accoppiata a guida d'onda rivestita con HUDS, e posizioni delle regioni doping. (b) Vista laterale del dispositivo che illustra le distribuzioni approssimative di droganti p (boro) e n (fosforo). (c) Progettazione della cavità risonante HUDS. (d) In alto:visualizzazione pseudo-colore della densità elettronica simulata (scala logaritmica in C·cm-3) e in basso:visualizzazione pseudo-colore della distribuzione simulata dell'indice di rifrazione (scala lineare) per il dispositivo p+pinn+ come funzione dell'ampiezza della tensione applicata. A DESTRA:(a) Spostamento della lunghezza d'onda di risonanza in funzione della tensione applicata per un intervallo di tensione da 0 a 1,2 V. (b) Spostamento della lunghezza d'onda di risonanza in funzione della tensione applicata per un intervallo di tensione da 0 a 0,6 V. (c ) Posizione del picco di lunghezza d'onda di risonanza in funzione della tensione applicata che illustra spostamenti di picco di risonanza lineari e ripidi per tensioni superiori a 0,8 V. (d) Il fattore di qualità corrispondente dei picchi di lunghezza d'onda di risonanza in funzione della tensione applicata. Credito:rapporti scientifici, doi:10.1038/s41598-019-56692-5
In questo modo, Milan M. Milošević e colleghi hanno dimostrato risultati sperimentali e di simulazione di dispositivi integrati HUD (hyperuniform disordinato solido) per esplorare la funzionalità HUD come piattaforma flessibile e compatta per circuiti integrati fotonici. Hanno migliorato il processo di fabbricazione del dispositivo per ridurre le perdite di propagazione e ottimizzato la transizione tra gli HUD e le guide d'onda a strisce utilizzando guide d'onda più ampie e il trattamento post-fabbricazione. Gli scienziati hanno impiegato gli HUD per facilitare il confinamento della luce in cavità risonanti PhC (cristallo fotonico) predefinite e migliorarne la stabilità alla temperatura.
L'isotropia intrinseca (uniformità in tutti gli orientamenti) dei nuovi materiali disordinati PBG (photonic band gap) ha dimostrato il potenziale per la progettazione di dispositivi fotonici offrendo compattezza, basso consumo energetico e migliore stabilità della temperatura. I dispositivi offrivano anche una libertà di progettazione senza precedenti senza limitazioni di strutture cristalline o periodicità. Il carattere disordinato dei materiali li rendeva meno sensibili agli errori di fabbricazione, rispetto alle loro controparti periodiche. I dispositivi risonanti basati su HUD hanno dimostrato una chiara capacità di guidare e localizzare la luce nella regione dell'infrarosso con una bassa perdita. I dispositivi HUD hanno fornito nuovi elementi costitutivi per progettare sistemi più complessi con dispositivi attivi e passivi in piattaforme di materiali semiconduttori, per nuove opportunità in termini di velocità dei dati e archiviazione dei dati più efficienti in termini di costi.
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