Dalga kılavuz Tasarım Tasarım için Fiziksel Optiklerin Temelleri

Fiziksel optikler, dalga olaylarının derin bir anlayışının, her düşük büyüklükteki tasarımın bir dalga kılavuzu ile yönetildiği temeldir, davranışların difraksiyon, müdahale ve kutuplaşmanın Interplay tarafından belirlenir.Bu etkiler, dalga olaylarının derin bir anlayışa bağlı değildir - her düşük büyüklükteki tasarımın nasıl yapıldığını ve sinyal bütünlüğünü nasıl etkilediğine bağlıdır.

Yapıların Yeniden Yapıları

Bir dalga kılavuzunda, ışık, sınır koşullarını sağlayan bir yol boyunca seyahat etmek zorunda kalır.Her modda, daha düşük bir indeksle çevrili daha yüksek bir refraktif indeks ile çevrilir. Işık doğası, ayrık uçlu dalga kılavuzlarının oluşumuna yol açar - özellikle de sınır koşullarını sağlayan uzay dağıtımları.Her mod, tahmin edilemez bir enerji indeksi ile tahmin edilemez.

Anahtar Dalga Phenomena ve onların Consequences

  • [FONT:0)Refraction and Total Internal Reflection:[Dönetici: 0 ) Rehber mekanizmasının kendisi Snell'in kanununa dayanıyor. sığ açılarda, ışık, temel ayarlama arayüzünde toplam iç yansımaya sahiptir, cladding indeksi daha düşük olur. Herhangi bir kabalık veya indeksi bu arayüzde dalgalanmak ve kayıpları ortaya çıkarabilir.
  • [FONT:0]Diffraction:[Diffraction:[DDiffraction:[DDiffraction:[DDDiffraction:[DDDDiffraction:[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDiffksiyon) Yüksek bir kontrast gerektirir, ancak bu kontrast da yan duvar sertliği ile saçını arttırır. Diffraction, bir dalga kılavuzunun daha önce ne kadar küçük bir dalga kılavuzu olabileceği konusunda daha düşük bir limit oluşturur.
  • [FONT:0) Interference:[Dönetici:[Dönetici:0)) Coherent etkileşimi, bir dalga cephesinin farklı kısımları arasında radyasyonu iptal etmek için kullanılabilir. Örneğin, viraj bölümlerinde, tasarımcılar dalga kılavuzluk o kadar hafife geçirebiliyorlar ki, iç ve dış kenarlardan gelen ışık yapıcı bir şekilde azalır, bu yüzden hafif virajlar (largeii) tipik olarak keskin bir şekilde keskin dönüşler.

Optik Dalga kılavuzlarında Mechanisms in Optical Waveguides

Düşük yayılım kaybının azaltılması, her enerji dağılımının kaynağını sistematik olarak azaltın demektir. Kayıplar üç geniş kategoriye girer: yapısal kusurlardan, sapmalar veya mod yanlış bir aradan dolayı radyasyona dönüşür.

Intrinsic Abxia

Tüm malzemeler belirli dalga boyun eğir. nm ve 1550 nm civarında nm, silik (SiO2) aşırı düşük absorpsiyona sahiptir, ancak silikon (Si) bantgap nedeniyle 1.1 μm'nin altında sert bir şekilde absorbe eder. Daha uzun dalgalar için, silikon şeffaf olur, ancak serbest pompalayıcı bir silikonun bir endişe kalır.

Sidewall Cabness'tan Çıkarmak

Tipik bir fotonik bütünleşik devre (PIC), dalga kılavuzları, eğimli modu kullanarak şekillendirilir. Bu işlem kaçınılmaz olarak nanometre büyüklüğü ile yan duvarları bırakır. Dalga kılavuzluk çekirdeği sadece birkaç yüz nanometre genişliğinde, hatta daha küçük asperities saçlarını ısıtılır; (2) dalga kılavuzunu biraz yükselterek veya transkriptize etmek için kenarlar.

Radyasyon Bends ve Junctions'te Kayıplar

Bir dalga kılavuzu, mod dış tarafa doğru itilir.Seks yarıçap çok sıkıysa, modun bir kısmı artık sınırlı ve yayılabilir.Uzgunluklar katlanarak azalırken, geometride yaygın bir tasarım kuralı, modun yanlış eşleştirmelere ve radyasyona neden oluyor.

Low-Loss için tasarım ilkeleri

Kaybeden mekanizmalar anlaşılınca, dalga kılavuz tasarımı sanatı bir dizi ticaret-off haline gelir. Dört parametre hükmedmiştir: reraktif indeks kontrast, temel geometri, viraj yarı ve kladding simetri.

Refraktif Index Contrast ve Mode Confinement

Yüksek bir indeks kontrastı (örneğin, silikon çekirdeği, 3.48, silik cladding'e karşı, 1.44) çok sıkı bir mod üretir - 0.2 μm2 olarak küçük bir alan. Bu, yoğun bir entegrasyona izin verir (örneğin, çip başına yüksek hassasiyet maliyetine) ancak düşük kontrastlı bir platforma (örneğin, alt kontrasta) bağlıdır.

Geometrik Optimizasyon: Ridge, Rib ve Slot Waveguides

  • [FONT:0)Ridge dalga kılavuzları:[Dönetici:[Döncükler:0)Kampiyonel bir altta bulunan bir çekirdek materyalinin yükseltilmiş bir şeriti.
  • [FONT=0]Rib dalga kılavuzları:[Dönetici] Anaksanat sadece kısmen ayrılmış, her iki tarafta bir plaka bırakarak. modda daha geniş ve daha az yan duvarlarla kabak, kaburgalar gibi aktif cihazlarda ortak yapılar yapmak, plakalar o çiftleri kaburgaya destek olabilir.
  • [FONT:0]Slot dalga kılavuzları:[Dönetici: 1 ) İki yüksek düzey demiryolu, dar düşük seviyeli bir slot tarafından ayrılmış durumda. Optik alan, algı ve doğrusal olmayan optikler için kullanışlıdır, ancak mod, yüksek aşamalara giren raylara bağlı olarak daha fazla kayıptır.

Bend ve Transition Design

Kasırgalarda kaybı, bir yuvarlak köşe (Euler viraj) kullanarak azaltılabilir, yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş radyasyonun başlangıcından kaçınır.Çünkü Simülasyon bu geçişleri tasarlamak için gereklidir, fotonik kristal dalga kılavuzları veya not edilen aşamalar genellikle yetersiz.

Simülasyon ve modelleme Yaklaşımları

Modern dalga kılavuz tasarımı, Maxwell denklemlerinin sayısal çözümlerine dayanıyor. Üç yöntem literatüre ve mühendislik araç kutusunu hakim ediyor.

FiniteDifference Time-Domain (F-DTD)

FDTD hem uzay hem de zaman ayırıyor, bir kümede eğri denklemleri çözmeyi sağlar.Institasyon kaybı değerlendirmek için altın standart, rastgele kabalıktan ve resonant yapıların performansı. ana dezavantaj hesaplama maliyeti - tek bir 3D simülasyonu bir kümede saatlerce sürebilir.

Beam Propagation Method (BPM)

BPM, alanın yoğun bir şekilde tek bir yönde (parçalışlama) olduğunu varsayıyor (yaklaşık FDTD'den çok daha hızlı ve uzun süre boyunca, hafifçe eğrilik dalga kılavuzları, musluklar ve ayrılıkçılarla entegre edildiğinde, BPM hızla bir dalga kılavuzu yolu boyunca evrim tahmin edebilir.

Mode Solvers (Eigenmode)

Bu çözücüler belirli bir kesitin tam yol modlarını hesaplar (örneğin, sonlu uygulama yöntemi veya film modu eşleştirmesini kullanarak). Etkili indeksler, mod profilleri ve grup hız dağılımı. Bir tasarımcı daha sonra transfer-matrix veya saç-matmatmatrix teknikleri kullanarak geçişleri kullanarak şarj edebilir.Bu yaklaşım, tek dalga kılavuz segmentleri için son derece verimlidir ve yön veren çiftlerin tasarımında bir işhorsedir.

Tümleşik Fotonikler için Malzeme Sistemleri

Tek bir malzeme tüm uygulamalara hizmet etmez. Seçim, uygulanabilir bir kayıp, işletim dalgasını ve üretim karmaşıklığı belirler.

SilikonunInsulator (SOI)-

SOI, PICs için en olgun platformdur. Yüksek indeks kontrastı (345n ⁇ 2) alt-mikrometre radii ve yoğun entegrasyon sağlar. Devlet-of-art SOI dalga kılavuzları, C-band'daki 0,dB/cm'in altında% 0,2 artış gösterir.

Silikon Nilü (Si3N4)

Si3N4 dalga kılavuzları daha düşük indeks kontrastı vardır (345 ⁇ 0,55) ancak son derece düşük doğrusal absorpsiyon sunar, iki foton absorpsiyonu ve orta ölçekli kayıplara kadar görünen bir şeffaf pencere. 0.1 dB/cm'in altında kayıplar rutin olarak elde edilir ve dikkatli bir işlemle, hatta sub-0.05 dB/cm mümkündür.

Polimer ve Hibrit Platformlar

Polimer dalga kılavuzları düşük sıcaklıklarda işlenebilir, CMOS elektronik veya esnek substratlarla entegrasyon sağlar. Düşük büyüklükteki düşük gelirliler için orta indeks kontrast ve kayıplara sahiptir.S.g.Cl3N4 veya Si-polimer) farklı malzemelerin güçlerini birleştirir: Yüksek bir en düşük virajlar ve düşük ücretli bir bölüm için düşük bir alt kat.

Tümleşik Devrelerdeki Uygulamaları

Düşük büyüklükteki dalga kılavuzlarını çip üzerinde kumaşlama yeteneği, şimdi laboratuvardan üretime kadar hareket eden bir dizi uygulama etkinleştirmiştir.

Data Centers için Optik Interconnects

Elektronik interconnects bant genişliğine ve güç sınırlarına ulaştığında, fotonik interconnects, düşük gecikmeli ve daha yüksek veri oranları sunar. Low-loss dalga kılavuzları, gelecekte CPU-memory veya çip-to-çizgi bağlantıları için temel bina bloklarıdır. Intel ve Lightmatter gibi şirketler tek bir ölüde binlerce dalga kılavuzu ile ticarileşir.

FotonicsBased Sensing

Dalga kılavuzları laboratuvar-on-a-çizici sensörlerinin arka kemiğidir. Düşük doz dalga kılavuzunu bir analyte, refraktif indeksdeki dakika değişiklikleri tespit edilebilir. Ring-resonator ve Mach-Zehnder interferometre konfigürasyonları, biyomolecules için düşük menzile maruz kalma olasılığını açığa çıkarır.

Telekomünikasyon ve Signal Processing

Wavelong-division multiplexers, Dağıtım koensatörler ve tüm optik anahtarlar tüm dalga kılavuzlarının dizilerine güveniyor. Low kayıplar, kalibre cihazlarının üzerindeki sinyal-noise oranını korumak için kritiktir. Si3N4 tabanlı frekans atışlarının son gösterileri, geçiş başına dalga kılavuzlarının nasıl otomatik olarak otomatik olarak etkilerini gösterir.

Mevcut Araştırma ve Gelecek Yollar

Her zamankinden daha düşük kayıp arayışı, yeni malzemeler, gelişmiş lithografi ve hesaplama tasarımı tarafından yönlendirilmektedir.

Fotonic Crystal Waveguides

Bir delik periyodik lattice tanıtarak, fotonik kristalleri standart bir ridge dalga kılavuzunu bir çizgi kusuruna yönlendirebilecek bir grupgap yaratır.Bu dalga kılavuzları 90°'nin altındaki kaybı ile ışık bükebilir, geleneksel virajlardan çok daha iyi.

Subwavelong ve Metamal Structures

Geometrik yapılar, dalga boyun eğlendirici diziler, etkili indeks ve dağıtım üzerindeki kesin kontrole izin verir. Örneğin, alt dalga uzunluğundaki gratinglar, indeksi sertleştirmek için hızla tükenebilir. 1 dB/cm aşağıdaki kayıplar, yüksek hacimli platformlarda bile rapor edilmiştir.

Waveguide Design'de Makine Öğrenme

Ters tasarım - bir kayıp fonksiyonunu en aza eden geometri için bir algoritma aramaları - üretilen dalga kılavuzları, çiftleri ve hızlı elektromanyetik çözücülerle birlikte tasarlanmış filtreler, bu yöntemler, asla tek bir sezgi ile düşünülmeyecek olan düşük büyüklükteki mimarilerin keşfini hızlandırıyor.

Daha hızlı talep olarak, daha fazla enerji verimli veri iletimi büyüdükçe, bu temel bilgileri dalga kılavuz tasarımdaki algılamanın rolü sadece hafif yayılımı yöneten dalga bazlı ilkelere yoğunlaşacak ve malzemelerden kaynaklanan pratik algılama mekanizmaları, entegre fotoniklerde çalışan herhangi bir mühendis için önemlidir.