O protocolo para gerar estruturas de rede de parede desordenadas hiperuniformes (a) Da esquerda para a direita:rede triangular, seu espectro de Fourier e o protocolo de tesselação dual que produz uma rede honeycomb. (b) Da esquerda para a direita:padrão de pontos hiperuniformes furtivos, seu espectro de Fourier, e o protocolo de mosaico duplo que o transforma em uma rede desordenada com coordenação triédrica. Crédito: Relatórios Científicos , doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Em um novo relatório publicado em Relatórios Científicos , Milan M. Milošević e uma equipe de pesquisa internacional do Instituto Zepler de Fotônica e Nanoeletrônica, Etaphase Incorporated e os Departamentos de Química, Física e Astronomia, nos EUA e no Reino Unido introduziu uma plataforma hiperuniforme desordenada para realizar dispositivos fotônicos no infravermelho próximo (NIR) para criar, detectar e manipular a luz. Eles construíram o dispositivo em uma plataforma de silício sobre isolante (SOI) para demonstrar a funcionalidade das estruturas de forma flexível, circuito integrado de silício não restringido por simetrias cristalinas. Os cientistas relataram resultados para elementos de dispositivos passivos, incluindo guias de onda e ressonadores perfeitamente integrados com guias de onda convencionais de silicone sobre isolador e acopladores verticais. A plataforma hiperuniforme desordenada melhorou a compactação e melhorou a eficiência energética, bem como a estabilidade de temperatura, em comparação com dispositivos fotônicos de silício fabricados em guias de onda de nervuras e tiras.
Esforços acadêmicos e comerciais em todo o mundo no campo da fotônica de silício levaram à engenharia de comunicações de dados ópticos na escala Terabit a custos cada vez mais baixos para atender à demanda crescente em data centers. O crescimento explosivo da computação em nuvem e do entretenimento sob demanda representam custos e requisitos de energia cada vez mais desafiadores para a transmissão de dados, processamento e armazenamento. As interconexões ópticas podem substituir as soluções tradicionais baseadas em cobre para oferecer um potencial cada vez maior para minimizar a latência e o consumo de energia, enquanto maximiza a largura de banda e a confiabilidade dos dispositivos. A fotônica de silício também aproveita em grande escala, Processos de fabricação de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) para produzir transceptores ópticos de alto desempenho com alto rendimento e baixo custo. As propriedades permitem que as aplicações de transceptores ópticos (tecnologia de fibra óptica para enviar e receber dados) sejam cada vez mais atraentes em distâncias mais curtas.
Mais de três décadas atrás, o físico Richard Soref identificou o silício como um material promissor para integração fotônica. Levando ao desenvolvimento constante e à produção rápida de circuitos integrados fotônicos (PICs) cada vez mais complexos. Os pesquisadores podem integrar um grande número de componentes ópticos eficientes em energia compactos maciçamente paralelos em um único chip para aplicativos de computação em nuvem, desde aprendizagem profunda até inteligência artificial e a Internet das coisas. Em comparação com o escopo limitado dos sistemas fotônicos de silício comerciais, arquiteturas de cristal fotônico (PhC) prometem dispositivos de tamanhos menores, embora sejam impedidos por restrições de layout impostas pelos requisitos de guia de ondas ao longo do eixo do cristal fotônico. Até recentemente, estruturas de gap fotônico (PBG) que orientam a luz de maneira eficiente foram limitadas a plataformas de cristal fotônico. Agora, classes mais novas de estruturas de PBG incluem quasicristais fotônicos, sólidos hiperuniformes desordenados (HUDs) e estruturas auto-uniformes locais.
(a) Imagem de microscopia eletrônica de varredura de uma estrutura de rede SOI HUD fabricada com uma largura de parede de 140 nm. (b) Os resultados da transmissão simulada mostram que a posição e a largura do bandgap para a rede HUDS com um espaçamento médio de rede de 500 nm são ajustáveis variando-se as larguras das paredes. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
No presente trabalho, Milošević et al. introduziu uma plataforma HUD (hiperuniforme desordenada sólida) como um sistema fotônico projetado localmente e uma arquitetura genérica para circuitos integrados fotônicos. Eles demonstraram a flexibilidade de design da plataforma HUD e a capacidade incorporada para integração perfeita em cavidades ópticas e guias de onda pré-projetados. Os HUDs de silício sobre isolante (SOI) têm grande potencial em uma série de aplicações em comprimentos de onda de comunicação óptica. Em comparação com ressoadores micro-anel padrão (MRRs) ou interferômetros Mach-Zehnder (MZIs), Os ressonadores HUD exibiram menos deslocamento do comprimento de onda ressonante dependente da temperatura (TDRWS) e maior compactação. Os resultados revelaram perspectivas promissoras para a melhoria do dispositivo e menor consumo de energia.
A equipe obteve pela primeira vez uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de uma rede HUD fabricada usando litografia de feixe de elétrons em uma altura de 220 nm, Bolacha SOI. Seguido por simulações no domínio do tempo de diferenças finitas do espectro de transmissão para a transmissão de luz elétrica polarizada por meio de redes hiperuniformes com uma separação média de 500 nm e várias larguras de parede. Milošević et al. ajustou o comprimento de onda central desses bandgaps modificando a largura da parede dos HUDs e os bandgaps largos permitiram que cobrissem uma faixa de comprimento de onda de 1,50 a 1,58 micrômetros (µm) para que as redes fossem bem adequadas para o projeto de circuito fotônico.
(a) Imagem SEM de um guia de onda SOI HUD fabricado simplesmente pulando uma fileira de orifícios de ar gravados. (b) Imagem SEM de um guia de onda SOI HUD fabricado (incluindo otimização de projeto). (c) Espectro de transmissão medido experimentalmente comparando o desempenho do guia de onda HUD antes (a) e após (b) a otimização do projeto mostra uma melhoria de 17 dB. Um espectro de transmissão plano em uma grande faixa foi alcançado após a otimização do guia de ondas. (d) Espectro de transmissão medido experimentalmente comparando as perdas de acoplamento do guia de onda HUD otimizado e um guia de onda de tira de silício. Perdas de inserção de ~ 2–3 dB foram obtidas devido à perda de acoplamento de entrada / saída entre o guia de onda do HUD e o resto dos dispositivos. Aqui, w representa a largura uniforme das paredes da rede, t é a espessura do guia de ondas (altura), e W é a separação média das células e também a largura fixa do canal do guia de ondas em (b). O rótulo 'não guiado' em (c) refere-se à estrutura do HUDS sem um canal de guia de ondas embutido nela. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Os cientistas projetaram e desenvolveram guias de onda como uma série de defeitos em linha, substituindo uma fileira de células de ar em forma de polígono ao longo dos caminhos desejados por silício preenchido. As imagens SEM de guias de ondas SOI HUD fabricados permitiram uma variedade de abordagens de otimização para aumentar a transmissão através do canal de guia de ondas. Para minimizar as perdas de retroespalhamento, eles otimizaram a estrutura do guia de ondas por meio da otimização de uma etapa, o que reduziu substancialmente a alta perda de retroespalhamento inicial. A equipe observou o espectro de transmissão através dos guias de onda do HUD antes e depois da otimização e transmissão na ausência do canal do guia de ondas para verificar experimentalmente uma melhoria de 17 dB em cerca de 1550 nm.
A plataforma HUD suportou um rico conjunto de novos designs de ressonadores, incluindo cavidades ressonantes com simetrias indisponíveis em estruturas de cristal fotônico. A plataforma HUD também era versátil e flexível para novos tipos de cavidades e designs de guia de ondas, permitindo uma integração perfeita em designs de última geração, enquanto mantém um fator de qualidade (Q) muito alto (qualidade do sinal de um canal óptico). A abordagem vantajosamente permitiu que qualquer dispositivo fosse integrado com esforço mínimo na mesma plataforma com revestimento HUDsian de forma livre, desde que os pesquisadores providenciem o isolamento adequado dos vários componentes. Com base em simulações, eles descobriram que a pegada do dispositivo HUD é pequena, mas o fator Q permanece grande.
(a) Perfil de campo de modo simulado para uma cavidade com um fator Q maior que 20, 000 em uma placa HUDS com TE polarização PBG. (b) Perfil de campo de modo simulado da cavidade de cristal fotônico revestido com HUDS com um fator Q de 1 milhão. (c) Perfil de campo de modo simulado do modo ressonante de um filtro de guia de onda de cavidade baseado em HUDS e (d) seu espectro de transmissão simulado. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Milošević et al. em seguida investigou um modulador óptico eletricamente controlado apresentando uma cavidade ressonante em ponte de ar em uma estrutura HUDS. A equipe teve como objetivo principal demonstrar a versatilidade da plataforma HUD para integrar uma variedade de componentes ópticos, mantendo seu desempenho de última geração. Eles registraram a densidade de distribuição de elétrons e o índice de refração local como uma função das tensões de polarização dentro da configuração. A equipe de pesquisa ajustou facilmente a densidade de distribuição de elétrons e o índice de refração local aplicando pequenas tensões.
Eles então aplicaram uma polarização direta (fluxo de corrente maior em uma direção) à configuração para demonstrar a mudança do espectro de transmitância em direção a um comprimento de onda mais curto. Os resultados implicaram na redução do índice de refração do silício, conforme esperado para o efeito de dispersão do plasma. Os cientistas previram que 0,48 V seria a tensão limite para operar um modulador em uma relação liga / desliga de 10 dB e observaram uma operação de baixa potência devido ao tamanho pequeno e alto Q da cavidade ressonante.
ESQUERDA:(a) Um esquema de moduladores ressonantes revestidos com HUDS na configuração p + pinn +. A vista superior ilustra a cavidade acoplada ao guia de ondas revestida com HUDS, e posições das regiões de dopagem. (b) Vista lateral do dispositivo ilustrando as distribuições aproximadas de dopantes p (Boro) en (Fósforo). (c) Projeto da cavidade ressonante do HUDS. (d) Superior:exibição em pseudo-cor da densidade de elétrons simulada (escala logarítmica em C · cm-3) e inferior:exibição em pseudo-cor do índice simulado de distribuição de refração (escala linear) para o dispositivo p + pinn + como uma função da magnitude da tensão aplicada. À DIREITA:(a) Mudança do comprimento de onda ressonante em função da voltagem aplicada para uma faixa de voltagem de 0 a 1,2 V. (b) Mudança do comprimento de onda ressonante como função da voltagem aplicada para uma faixa de voltagem de 0 a 0,6 V. (c ) Posição do pico do comprimento de onda ressonante em função da tensão aplicada, ilustrando desvios de pico ressonante linear e acentuado para tensões superiores a 0,8 V. (d) O fator de qualidade correspondente dos picos do comprimento de onda ressonante em função da tensão aplicada. Crédito:Relatórios Científicos, doi:10.1038 / s41598-019-56692-5
Desta maneira, Milan M. Milošević e colegas demonstraram resultados experimentais e de simulação de dispositivos integrados de HUD (hiperuniformes desordenados sólidos) para explorar a funcionalidade de HUD como uma plataforma flexível e compacta para circuitos integrados fotônicos. Eles melhoraram o processo de fabricação do dispositivo para reduzir as perdas de propagação e otimizaram a transição entre os HUDs e os guias de onda da faixa usando guias de ondas mais amplos e pós-fabricação de tratamento. Os cientistas empregaram os HUDs para facilitar o confinamento da luz em cavidades ressonantes predefinidas de PhC (cristal fotônico) e aumentar sua estabilidade de temperatura.
A isotropia intrínseca (uniformidade em todas as orientações) dos novos materiais PBG desordenados (gap fotônico) demonstrou potencial para design de dispositivo fotônico, oferecendo compactação, baixo consumo de energia e estabilidade de temperatura aprimorada. Os dispositivos também oferecem liberdade de design sem precedentes, sem limitações por estruturas cristalinas ou periodicidade. O caráter desordenado dos materiais os torna menos sensíveis a erros de fabricação, em comparação com suas contrapartes periódicas. Os dispositivos ressonantes baseados em HUD demonstraram uma capacidade clara de guiar e localizar a luz na região do infravermelho com baixa perda. Os dispositivos HUD forneceram novos blocos de construção para projetar sistemas mais complexos com dispositivos passivos e ativos em plataformas de material semicondutor, para novas oportunidades em taxas de dados e armazenamento de dados aumentados de maneira econômica.
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