השימוש באופטיקה פיזית בעיצוב של גל אופטי נמוך לאבד נמוך עבור מעגלים משולבים

אובדן מכניזם ב- Optical Wave guides

אובדן של ההרחבה הנמוכה פירושו צמצום שיטתי של כל מקור של פיזור אנרגיה.הפסדים נופלים לשלוש קטגוריות רחבות: ספיגה חומרית פנימית, פיזור של פגמים מבניים, וקרינה בשל דבורים או מצב לא מתאים.

חוסר מיצוי

כל החומרים סופגים אור באורכי גל מסוימים.בחלונות הטלקומוניקציה בסביבות 1310 nm ו-1550 nm, silica (SiO2) יש ספיגה נמוכה מאוד, אבל סיליקון (Si) סופג מאוד מתחת ל-1.1 מיקרומטר בשל ה-Sgap שלה. עבור אורכי גל ארוכים יותר, סיליקון הופך שקוף, אבל קליטה ללא תשלום ב-carrecarredoed נשאר דאגה (S3nbsp; NCR) לקליטה-Acc-ACTed, הוא מציע ירידה קצרה, כלומר, לקליטת חומר גלויה, הוא קיצור של חומר, הוא קיצור של סיליקון, הוא מקבל את ה-Acc-Acc-Acc-Acc-Acc-Acc-Acc-A.

המונחים: Sideקיר קשיחות

במעגל משולב פוטוני טיפוסי (PIC), מודטים גל מעוצבים באמצעות ליתוגרפיה ותחריט. תהליך זה בהכרח משאיר מחסומים עם גסות בקנה מידה ננומטר. כי הליבה הגל מונחת היא רק כמה מאות ננומטר רחב, אפילו קטורות קטנות מתפזרות אור מן המצב המודרך; האובדן בקנה מידה בערך עם ריבוע של בידוד גס והפך עם גודל זה; (2) כדי להגדיל את הגדל במקצת את הדחיסות החלקה או כדי להפעיל את השבר; (2) כדי להגדיל את המשטח החלקה חלקית;

אובדן קרינה ב בנדים וצומת

כאשר גלית גל מונחות, המצב דוחף לעבר הקצה החיצוני.אם הרדיוס הנדנד חזק מדי, חלק מהמצב כבר לא יכול להיות מוגבל ו קורנל לתוך החיפוי.ההפסד עולה באופן אקספוננציאלי כמו הרדיוס יורד.חוק עיצוב משותף הוא לשמור את הרדיוס אופנתית הנדנדה יותר מאשר 5-10 μs עבור גל מונחות עם אינדקס גבוה, ועוד הרבה יותר עבור צומת דרכים גדולות כמו גם על פני חניכיים.

עקרונות עיצוב להורדת Low-Los Proagation

ברגע שהמנגנוני האובדן מבינים, האמנות של עיצוב גל הופך לסדרת של שינויים מסחריים.ארבעה פרמטרים שולטים: ניגודיות מחדש של מדד, גיאומטריה הליבה, רדיוס בנד, וסימטריה מחוספסת.

אינדקס מקררים ומצב קונומנטציה

ניגוד גבוה (למשל, הליבה סיליקון, 3.48, נגד חיפוי על סיליקה, 1.44) מייצרת מצב חזק מאוד - אזור חצוי קטן כמו 0.2 מיקרומטר2.זה מאפשר שילוב צפוף (מיליוני רכיבים שבב) אבל עלות רגישות גבוהה לפסדונות צדדיות, אך לעתים קרובות ירידה גבוהה של ירידה במשקל נמוך יותר.

אופטימיזציה גיאומטרית: ridge, Rib, ו-Sol Wave guides

• (ב) ,0) ,5 ,5 ; 1 (ב) ,ב"ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0)Rib גל מונחות: 1FLT:1 הליבה רק חרק חלקית, משאירה סלאב משני הצדדים.המצב רחב יותר ופחות מושפע מחוספס צדדי, מה שהופך מבנים צלעות נפוצים במכשירים פעילים כמו מודטורים.עם זאת, הזחל יכול לתמוך בצורות סלאב כי זוג לתוך הצלעות, גורם לאובדן.
• (FLT:0)Slot גל מונחות: 1FLT:1 Two High-index Rails מופרד על ידי חריץ נמוך-index צר.שדה אופטי הוא משופר בתוך החריץ, שימושי עבור רגישה ולא אופטיקה לא ליניארית, אבל המצב הוא חסרון יותר בשל חדירה לשדה לתוך מסילות גבוהה.

עיצוב בנד ו Transition

אובדן בקתות ניתן להפחית באמצעות פינה מעוגלת (Euler bend) כי בהדרגה שינויים רפיח, הימנעות הופעת פתאומי של קרינה.עבור אפילו nds חזק יותר, ציורי גל גבישי פוטוניים או מבנים נצ'ד-index ניתן להשתמש. בין חלקי גל שונים, מודמירים באמצעות תפיפונים ליניאריים או פרבוליים להבטיח כי המעברים בסיסיים ללא סדרים גבוהים יותר, הם לעתים קרובות מעברים חיוניים של סימפואר.

סימולציה ומודלים של גישות

עיצוב גל מודרני מבוסס על פתרונות מספריים של משוואות מקסוול.שלוש שיטות שולטות בספרות ובתיבת הכלים להנדסה.

Finite-Difference Time-Domain (FDTD)

FDTD מסלק את החלל והזמן, פתרון משוואות תלתלים צעד אחר צעד.זה תקן הזהב להערכת אובדן הנדנד, פיזור מחוספס אקראי, וביצועים של מבנים חוזרים.המגירה העיקרית היא עלות חישובית - סימולציה אחת 3D יכול לקחת שעות על גבי אשכול GPU.למרות, FDTD הוא חיוני עבור אופטימיזציה ברמת המכשיר, במיוחד בדגמי חד משמעי או מודלים אנליטיים שבו לשבור רכיבים אנליטיים.

שיטת Beam Propagation Method (BPM)

BPM מניח כי השדה מתפשט בעיקר בכיוון אחד (מחיאות כפיים פרדוקסליים) הוא הרבה יותר מהיר מ-FDTD והוא אידיאלי לתכנון צירי גל ארוכים, בעדינות מחוספס, מטיפים ומתפצלים.כאשר משולבים עם שיטת האינדקס היעילה, BPM יכול במהירות לחזות התפתחות לאורך נתיב גל.

מצבי חירום (Eigenmode growth)

פותרים אלה מעמידים את המצבים המודרך המדויק של סעיף צלב (למשל, באמצעות שיטת יישום סופית או מצב סרט תואם) הם מספקים אינדיקציות יעילות, פרופילים מצב ופיזור מהירות קבוצתי. מעצב יכול אז cascade תכונות מצב לאורך הגל באמצעות העברת מטריקס או פיזור טכניקות מטריצה לדגימה.

מערכות חומריות ל-Integrated Photonics

שום חומר יחיד אינו משרת את כל היישומים.הבחירה קובעת אובדן אפשרי, הפעלת אורך גל, ומורכבות ייצור.

סיליקון-on-Insulator (SOI)

SOI הוא הפלטפורמה הבוגרת ביותר עבור PICs. ניגודי אינדקס גבוה ( ⁇ n ⁇ 2) מאפשר nd micrometer bend nd nd nd רדיוi ואינטגרציה צפופה. המדינה- of-the-art SOI גל מודרכת הפסדים מתחת 0.3 dB / ס"מ ב C-band. עם זאת, שתי אפקטים ספיגה צילום ואפקטים ללא תשלום על כוח גבוה להגביל את השימוש שלה בכמה יישומים לא ליניאריים.

סיליקון ניליד (Si3N4)

ל-Si3N4 גל מונחות יש ניגודיות אינדקס נמוכה יותר ( ⁇ n ⁇ 0.55) אבל להציע ספיגה ליניארית נמוכה מאוד, אין ספיגת דו-לשונית, וחלון שקיפות המשתרע על פני ה-SEC עד אמצע-הנאה.הפסדים מתחת ל-0.B/CM אפשריים.

Polymer ופלטפורמות היברידיות

ניתן לעבד את הונחוצים גל פולימר בטמפרטורות נמוכות, המאפשר שילוב עם CMOS אלקטרוניקה או substrates גמישים.יש להם ניגודי אינדקס מתון והפסדים סביב 1 dB / ס"מ פלטפורמות היברידיות (למשל, Si-Si3N4 או Si-polymer) משלבים את נקודות החוזק של חומרים שונים: חלק גבוה של bends הדוק ו-const נמוך עבור אינטגרציה נמוכה עבור אזור זה הוא פעיל.

יישומים במעגלים משולבים

היכולת לייצר גלי גל נמוכים על שבב אפשרה טווח של יישומים שנעים כעת ממעבדה לייצור.

קישורים אופטיים למרכזי נתונים

כמו חיבורים אלקטרוניים להגיע רוחב הפס שלהם וגבולות הכוח, קישורים פוטוניים מציעים שקיפות נמוכה יותר ושיעורי נתונים גבוהים יותר.מדריכי גל אובדן נמוך הם אבני הבניין הבסיסיים עבור בדידות גבוהה המתפתל על עתיד CPU-to-memory או שבב-to-chip קישורים. חברות כמו אינטל ו Lightmatter הם מסחרי PICs עם אלפי ערוצים מודרכים על פני מוות יחיד.

צילום: Powernics

Wave guides הם עמוד השדרה של חיישנים מעבדה-on-a-chip. על ידי חשיפת שדה evanescent של גל הפסד נמוך מונחה על פי אנאליטה, שינויים דקים באינדקס השביר ניתן לזהות. Ring-resonator ו- Mach-Zehnder interferometer תצורה להשיג גבולות זיהוי בטווח העובר עבור biomolecules.

המונחים: Signal processing

גלי אורך טווחי גליון, מתפזרים, ומגים אופטיים כולם מסתמכים על מערך של הדרכות גל.הפסד נמוך הוא קריטי לשמור על יחס אות-לקצה על מכשירים קזנדים.

מחקר וכיוונים עתידיים

החיפוש אחר אובדן איטי מתמיד ממשיך, מונע על ידי חומרים חדשים, ליתוגרפיה מתקדמת ועיצוב חישובי.

המונחים: Crystal Wave guides

על ידי הצגת מנוף תקופתי של חורים, גבישים פוטוניים יוצרים להקה שיכולה להנחות אור לאורך פגם קו.מדריכי גל אלה יכולים להיות nd אור עם אובדן מתחת 0.1 dB ל 90 מעלות, הרבה יותר טוב מאשר בונדים קונבנציונליים. אתגרים נשארים באור הפיכה מגל ridge סטנדרטי מונח לתוך מצב photonic-crystal ו בקנה מידה של ייצור.

מבנה גלקסיות ומבנה חומרי

מבנים ממונדסים עם תכונות קטנות יותר מאשר אורך הגל מאפשרים שליטה מדויקת על המדד היעיל והפיזור.לדוגמה, תחריטים באורך משנה יכולים לחסל גסות מחוספסת על ידי שילוב מדד במהלך התקופה המריצה.הפסדים מתחת 1 dB / ס"מ דווח במבנים כאלה, אפילו בפלטפורמות גבוהות של תכנון הוא עצום, אופטימיזציה של מכונה משמש עכשיו כדי למצוא דפוסים אופטימליים במהירות.

Machine Learning in Waveהנחיית Design

עיצוב הפוך - שבו אלגוריתם מחפש את הגיאומטריה הממזערת את תפקוד אובדן - הפיק גלי גל מונחות, זוגות ומסננים כי מקבילים מעוצבים על ידי אדם בשילוב עם פותרים אלקטרומגנטיים מהירים, שיטות אלה מאיצים את הגילוי של ארכיטקטורות בתדר נמוך כי מעולם לא היה נתפס באמצעות אינטואיציה בלבד.

ככל שהביקוש להעברה מהירה יותר, יותר יעילה של נתונים גדל, התפקיד של אופטיקה פיזית בעיצוב גל יהיה רק להגביר את ההבנה של עקרונות מבוסס גל השולטים בהפצת אור, ואת מנגנוני אובדן מעשי העולה מחומרים ומרקם, חיוני לכל מהנדס שעובד בפוטניקה משולבת.העתיד נמצא בשילוב ידע בסיסי זה עם סימולציה מתקדמת וחומרים חדשניים לדחוף להפסדים קוונטיים מתחת לסף / סף רחם רבים.