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May 31, 2023

Reducción eficiente de diafonía MIR basada en silicio

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7233 (2023) Citar este artículo 492 Accesos Detalles de métricas La reducción de la diafonía (CT) entre componentes fotónicos contiguos sigue siendo un gran desafío

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7233 (2023) Citar este artículo

492 Accesos

Detalles de métricas

La reducción de la diafonía (CT) entre componentes fotónicos contiguos sigue siendo un gran desafío en la fabricación de circuitos integrados fotónicos (PIC) de alta densidad de empaquetamiento. En los últimos años se han ofrecido pocas técnicas para lograr ese objetivo, pero todas en la región del IR cercano. En este artículo, presentamos un diseño para realizar una reducción de CT altamente eficiente en el régimen MIR, por primera vez hasta donde sabemos. La estructura informada se basa en la plataforma de silicio sobre fluoruro de calcio (SOCF) con conjuntos de tiras uniformes de Ge/Si. El uso de tiras de Ge muestra una mejor reducción de CT y una longitud de acoplamiento (Lc) más larga que los dispositivos convencionales basados ​​en Si en un amplio ancho de banda en la región MIR. El efecto de agregar un número diferente de tiras de Ge y Si con diferentes dimensiones entre dos guías de ondas de Si adyacentes en el Lc y, por lo tanto, en el CT se analiza utilizando tanto el método de elementos finitos vectoriales completos como el método de dominio de tiempo de diferencias finitas 3D. Se obtiene un aumento en Lc de 4 órdenes de magnitud y 6,5 veces utilizando tiras de Ge y Si, respectivamente, en comparación con guías de ondas de Si sin tiras. En consecuencia, se muestra una supresión de diafonía de −35 dB y −10 dB para las tiras de Ge y Si, respectivamente. La estructura propuesta es beneficiosa para dispositivos nanofotónicos de alta densidad de empaquetado en el régimen MIR, como interruptores, moduladores, divisores y (de)multiplexores por división de longitud de onda, que son importantes para los circuitos integrados, espectrómetros y sensores de comunicación MIR.

En las últimas décadas, con el rápido desarrollo de la tecnología nanofotónica, la fotónica de silicio ha ganado mucho interés gracias a su compatibilidad con la tecnología de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS)1. La región de longitud de onda MIR (que oscila entre 2 y 10 µm) ofrece una variedad de aplicaciones prácticas. En consecuencia, se ha convertido en un tema de investigación candente para la ciencia y la industria. El rango espectral MIR, también llamado espectro de “huella digital molecular”, contiene los picos significativos de rotación, vibración y absorción para la mayoría de las moléculas con una intensidad espectral que es miles de veces mayor que la correspondiente a la región del IR cercano2. Por lo tanto, el régimen MIR controla una variedad de aplicaciones que incluyen detección biológica y química3, detección de gases4, diagnóstico médico, imágenes térmicas5, monitoreo de la contaminación ambiental2, atención médica y control de procesos industriales6,7. Estas características sobresalientes del régimen MIR atraen a los investigadores a diseñar componentes/dispositivos fotónicos de silicio, como acopladores8, guías de onda5, fotodetectores9, resonadores de anillo10, moduladores11 y sensores4. En fotónica MIR, el germanio se considera uno de los materiales más importantes por varias razones12. En este contexto, Ge tiene un amplio rango de transparencia de hasta 16,7 µm13, una alta densidad de portadores libres14 y un gran índice de refracción (n = 4)15. Por lo tanto, cuando se combina con material de bajo índice como el fluoruro de calcio (CaF2), se obtiene un contraste de alto índice. En 2012, se reveló la primera guía de ondas MIR de germanio sobre silicio (Ge-on-Si)16, luego se introdujeron guías de ondas con baja pérdida (menos de 1 dB/cm)17. Además, Ge-on-CaF2 se ha utilizado como una plataforma eficiente para guías de ondas ópticas18.

En silicio/germanio sobre plataformas aislantes (S/GOI), se podría lograr fácilmente el confinamiento de la luz en un área pequeña debido a la alta y significativa asimetría en el índice de refracción del núcleo (p. ej., Si, Ge) y su revestimiento o sustrato (p. ej., , SiO2, aire). La plataforma SOI permite la construcción de varios componentes fotónicos ultracompactos y de alto rendimiento empleados en los PIC19. Sin embargo, la densidad de empaquetado de los PIC sigue siendo baja, lo que supone un obstáculo importante en el desarrollo de circuitos integrados híbridos multicapa, de bajo coste y a gran escala.

Recientemente, se han informado nuevos enfoques para mejorar la densa integración de los PIC. En este sentido, se pueden utilizar guías de ondas plasmónicas20, estructuras híbridas metal-dieléctricas21 y estructuras basadas en metamateriales para reducir la huella de los dispositivos22. En el diseño de PIC, se debe considerar el efecto de las guías de ondas entre sí. Esto se debe a la superposición de modos entre guías de ondas vecinas, lo que da como resultado cierto acoplamiento y CT entre las guías de ondas. Sin embargo, cuando los modos ópticos están fuertemente confinados, la superposición y la CT entre guías de onda son débiles e insignificantes. Como resultado, la TC se considera un factor esencial de las guías de ondas ópticas y de la densidad de empaquetamiento del dispositivo. Por lo tanto, en los últimos años se han desarrollado varias técnicas de reducción de diafonía, como el encubrimiento nanofotónico23 y las superredes de guías de ondas24. Los resultados indican que la mayoría de los métodos de reducción de CT se han obtenido en longitudes de onda de telecomunicaciones de 1,3 µm y 1,55 µm. Además, se han introducido rejillas y tiras de silicio por debajo de la longitud de onda en la guía de ondas ópticas para controlar la luz guiada en los PIC25,26. En consecuencia, en los últimos años han surgido dispositivos compactos de guías de ondas acopladas27. Khavasi et al.25, han añadido dos franjas de sublongitud de onda entre dos guías de ondas adyacentes, donde los metamateriales totalmente dieléctricos generaron un modo altamente confinado. Por lo tanto, se induce un aumento notable en la Lc en comparación con el caso sin tiras25. La Lc se extiende hasta dos órdenes de magnitud al agregar tres tiras de silicio entre dos guías de ondas vecinas en comparación con el caso sin tiras. Yu et al. han logrado resultados numéricos con la misma longitud de onda y tamaño de guías de onda28. Además, Yang et al. han mejorado la Lc en tres órdenes de magnitud mayor que la obtenida en28 introduciendo tres tiras de Si no uniformes entre las dos guías de ondas29. Vale la pena señalar que todos los estudios antes mencionados han funcionado en la región NIR, es decir, en λ = 1,55 µm basándose en la introducción de tiras de silicio o rejillas entre guías de ondas SOI estándar.

Se emplea una plataforma de silicio sobre fluoruro de calcio (SOCF) en lugar del SOI estándar en la región de longitud de onda MIR debido a su alto coeficiente termoóptico y sensibilidad a la polarización30. Además, la absorción de SiO2 es bastante alta en este régimen espectral31, por lo tanto, se emplea como sustrato CaF2 con n ≈ 1,4 (en el espectro MIR) y una ventana de transmisión de hasta ≈ 9 µm. Vale la pena señalar que CaF2 permite un alto índice de contraste y una alta transmisión en comparación con otros materiales como el zafiro (Al2O3) (n ≈ 1,7) y el nitruro de silicio (Si3N4) (n ≈ 1,9) con ventanas de transmisión de hasta ≈ 5,5 µm y ≈ 7. µm, respectivamente7. La región de longitud de onda de 3 a 5 µm contiene ventanas de transmisión atmosférica, que permiten que la fotónica de silicio se utilice en sistemas de detección y alcance de luz (LIDAR) y comunicaciones MIR6. Además, la longitud de onda de 3,5 µm se utiliza en aplicaciones de detección32 y resonadores de microanillos con propagación de baja pérdida33.

En este artículo, se propone por primera vez, hasta donde sabemos, un enfoque de reducción de CT en la región MIR basado en la plataforma SOCF. La estructura reportada consta de tiras de Si/Ge entre guías de ondas adyacentes para suprimir significativamente la diafonía y aumentar la longitud del acoplamiento. En primer lugar, se lleva a cabo el efecto de los parámetros geométricos de guías de ondas basadas en SOCF en un caso sin tiras. En segundo lugar, se realizan estudios exhaustivos sobre el efecto de agregar tiras de sublongitudes de onda de Si y Ge con varios números y dimensiones entre guías de ondas basadas en SOCF en Lc y CT. Para realizar el análisis modal se utiliza el método vectorial completo de elementos finitos (FVFEM)34,35,36,37 a través del paquete de software COMSOL Multiphysics (https://www.comsol.com). El método 3D de dominio de tiempo de diferencias finitas (FDTD)38 a través del paquete de software Lumerical FDTD (https://www.lumerical.com) se utiliza para investigar la propagación de la luz a través de la estructura propuesta. Los resultados de la simulación revelan que en λ = 3,5 µm, se obtiene una Lc muy larga de 3,3 m con un CT bajo de −34,65 dB utilizando tiras de 2 Ge entre dos guías de ondas de silicio adyacentes. Además, en el caso de tiras de 4-Si se consigue un Lc de 5,32 mm con un CT de −9,83 dB. El CT obtenido (- 34,6 dB) es mejor que el reportado en 39 (- 22,38 dB), donde se implementaron dos tiras de Si asimétricas entre dos guías de ondas de Si a λ = 1,55 µm. Además, es incluso mejor que lo reportado en40 (−27,71 dB) donde se han insertado tres tiras de Ge entre dos guías de ondas de Si a λ = 1,55 µm.

Las vistas en sección transversal y en 3D del dispositivo propuesto basado en la plataforma SOCF se representan en las Figs. 1a y b, respectivamente. Este sistema incorpora dos tiras de Ge o Si de sublongitud de onda que se encuentran entre dos guías de ondas de cresta de silicio paralelas formadas sobre un sustrato de CaF2 con revestimiento de aire. Los índices de refracción de Ge, Si y CaF2 se obtienen utilizando las ecuaciones de Sellmeier descritas en 41,42,43. Los parámetros estructurales w, ds, da, son los anchos del núcleo de Si, las tiras de Ge o Si y la ranura de aire, respectivamente. Además, d es la distancia de borde a borde entre las guías de ondas de cresta de silicio y h es la altura de las guías de ondas y las tiras.

(a) Vista esquemática en sección transversal del sistema propuesto que comprende dos conjuntos de tiras de Ge simétricas insertadas entre el par de guías de ondas de silicio, (b) su vista 3D y (c) diferentes pasos de fabricación del sistema propuesto. Esta imagen fue creada por Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (número de licencia: 675038) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

El flujo del proceso de fabricación del sistema propuesto se muestra en la Fig. 1c. Usando epitaxia de haz molecular, las capas de Si se pueden cultivar epitaxialmente sobre un sustrato de CaF2 en vacío ultraalto44, donde los sustratos de cristal de CaF2 están disponibles comercialmente45. Utilizando la química HBr/Cl2, se puede realizar el grabado en seco de Si46. Vale la pena mencionar que se puede emplear la misma manera para agregar tiras de matriz de Si y Ge entre las dos guías de ondas adyacentes44. Además, en el caso de tiras de Ge, se puede emplear la unión de oblea de película de Ge sobre aislante47.

La reducción de CT entre guías de ondas adyacentes depende de disminuir la fuga de una guía de ondas a sus alrededores, aumentando así la Lc. La Lc se define como la distancia a la que se transfiere la máxima potencia óptica de una guía de ondas a otra. Según la teoría del modo acoplado, Lc viene dada por48:

donde ns y na son las partes reales de los índices efectivos de los modos simétrico y antisimétrico soportados por la estructura de doble núcleo, respectivamente.

El acoplamiento entre dos guías de ondas adyacentes cualesquiera se puede controlar modificando la penetración de la onda evanescente en los medios circundantes y, por tanto, controlando el CT23. La constante de desintegración de la onda evanescente en el segundo medio se puede expresar de la siguiente manera:

donde, \(k\frac{||}{x}\) ,\(k\frac{|}{y}\) son las componentes paralelas y perpendiculares del vector de onda a la interfaz entre el núcleo y el medio circundante . εx, εy son las constantes dieléctricas del segundo medio paralelas y perpendiculares a la interfaz, y k0 es el vector de onda en el espacio libre. De la ecuación. (2), la relación de los componentes de permitividad gobierna la profundidad de penetración del campo evanescente en el segundo medio. Por tanto, la tasa de caída de la onda evanescente de una guía de ondas se puede gestionar alterando la relación entre la permitividad paralela a la interfaz (εx) y la perpendicular a ella (εy). Como resultado, se puede controlar la profundidad de penetración de las ondas evanescentes, la Lc y, por tanto, la CT entre dos guías de ondas adyacentes. Esto se puede lograr alterando la permitividad a lo largo de las direcciones horizontal y vertical cambiando las dimensiones de la matriz de tiras.

A diferencia de SOI, que tiene un ancho estándar de 500 nm y una altura de 220 nm, las guías de ondas SOCF no tienen dimensiones estándar, especialmente en la región MIR. En consecuencia, se estudian los parámetros geométricos para controlar la longitud de onda operativa en el régimen MIR. Al cambiar las dimensiones de las guías de ondas de Si, se pueden controlar las partes reales de los modos ns y na. Por tanto, Lc cambia según la ecuación. (1). El análisis modal se realiza utilizando FVFEM. El dominio computacional se divide en elementos triangulares con un tamaño máximo de elemento de 3 × 10−8. Se utilizan condiciones de contorno de dispersión en todas las direcciones transversales para truncar la región de simulación. La Figura 2 muestra la variación de Lc con las dimensiones de la guía de ondas w, h y d. Puede verse en la Fig. 2a que Lc aumenta al aumentar el ancho y la altura de la guía de ondas de Si. Además, Lc aumenta al aumentar d, como se puede ver en la Fig. 2b. Sin embargo, el objetivo principal de este trabajo es aumentar la densidad de empaquetamiento de dispositivos nanofotónicos, es decir, aumentar la Lc con la separación mínima permitida de las guías de onda. Como resultado, las dimensiones de las guías de ondas basadas en SOCF se seleccionan cuidadosamente para soportar la propagación del modo eléctrico transversal fundamental (TE) fuertemente confinado como se muestra en el recuadro de la Fig. 2b y obtener un Lc mínimo en λ = 3,5 µm. En consecuencia, los parámetros geométricos de las guías de ondas de Si se toman como w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm. La Lc calculada con estos parámetros es 844 µm.

Variación de la longitud de acoplamiento Lc con el cambio de (a) ancho w y alto h, y (b) Variación de Lc con la distancia de separación d de la guía de ondas de silicio sin tiras. Recuadro: distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) de los modos superTE simétricos y antisimétricos para dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm. La imagen de la distribución del campo eléctrico fue creada por COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (número de licencia: 17074294) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

A continuación, se añaden tiras uniformes de Ge o Si entre las dos guías de ondas adyacentes para aumentar la Lc y reducir la CT. En esta investigación, se estudia en detalle el efecto del número y ancho de las tiras insertadas en el Lc y por tanto en el CT. A medida que cambian el tipo, número y dimensiones de las tiras, cambia la relación de permitividad de los modos. Controlando esta relación, se puede gestionar la profundidad de penetración de la onda evanescente en el medio circundante. En consecuencia, se puede controlar el CT obtenido. Además, este cambio afecta a los índices de refracción neff de los modos resultantes. Por lo tanto, la diferencia en neff se puede minimizar para maximizar Lc según la ecuación. (1) y obtenga el valor CT más bajo.

Primero, se estudia el impacto de agregar tiras de Si en Lc y los resultados se muestran en la Fig. 3 y la Tabla 1. La Figura 3a muestra que Lc aumenta al usar tiras de Si en un factor de 2,5 a 6,5 ​​con respecto a el caso de sin tiras de Si. Las Figuras 3b-e representan la distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) de los modos TE simétricos y antisimétricos en anchos efectivos que dan un Lc máximo en cada caso. Al aumentar el número de conjuntos de tiras de Si, Lc aumenta y los perfiles de campo se vuelven más confinados en la región central. Sin embargo, al aumentar el número de tiras, cada tira individual se vuelve menos gruesa, como se resume en la Tabla 1. Vale la pena señalar que reducir el grosor de las tiras será un desafío en la fabricación del dispositivo. Sin embargo, se ha demostrado que hay menos de 50 nm de espacio entre las estructuras de Si en las guías de ondas de rejilla de Si Bragg49.

(a) Variación de la longitud de acoplamiento Lc con el ancho ds y el número de tiras de Si y sin tiras para dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm. Distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) de los modos TE simétricos y antisimétricos para cada caso en el ancho efectivo donde Lc alcanza el valor más grande. (b) tira de 1-Si con un ancho de 170 nm, (c) tiras de 2-Si con un ancho de 105 nm, (d) tiras de 3-Si con un ancho de 77 nm y (e) tiras de 4-Si con un ancho de 59 nm. Las imágenes de la distribución del campo eléctrico son creadas por COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (número de licencia: 17074294) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

La Figura 4 ilustra la Lc dependiente de la longitud de onda para diferentes estructuras estudiadas en el valor óptimo de ds, como se resume en la Tabla 1. Como se ve en la Fig. 4, Lc aumenta para todas las estructuras después de agregar tiras delgadas de Si entre las dos guías de ondas de Si con respecto a la caso de no tiras. Considerando el caso sin tiras de Si, la región entre las dos guías de ondas es uniforme (aire) con una permitividad constante igual a 1. Por lo tanto, εy es muy pequeña, lo que lleva a una tasa de desintegración menor \(\left(k\frac{|} {y}\right)\) en la dirección normal según la ecuación. (2), que mejoró el proceso de acoplamiento entre las dos guías de ondas de Si, lo que condujo a una Lc pequeña en todo el rango de longitudes de onda. Sin embargo, al agregar tiras de Si entre las dos guías de onda, εy se vuelve grande, luego la tasa de desintegración \(\left(k\frac{|}{y}\right)\) aumenta y la profundidad de penetración de la onda evanescente en la onda evanescente aumenta. disminución circundante. Por tanto, el acoplamiento entre las dos guías de ondas se vuelve débil y Lc aumenta. Bajo ciertas condiciones, se alcanza la relación de permitividad óptima, Lc alcanza un valor máximo y aparece un pico en la curva Lc, como se ve en la Fig. 4. Además, se obtiene un Lc máximo de 8,5 m en el caso del 2-Si. tiras con ds de 105 nm a λ = 2,5 µm. En las estructuras de las tiras de 3 y 4-Si, Lc también tiene valores grandes de 0,25 my 0,3 m, respectivamente, en λ ≃ 3 µm.

Variación de la longitud de acoplamiento Lc con la longitud de onda (λ) para estructuras de dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm, con y sin tiras de Si con ancho efectivo ds ilustradas en la Tabla 1 .

De manera similar, se estudia la variación de Lc con el número y ancho de las tiras para tiras de Ge en lugar de tiras de Si con las mismas dimensiones de las guías de ondas de Si en λ = 3,5 µm, y los resultados obtenidos se representan en la Fig. 5a. De esta figura se desprende claramente que hay un aumento significativo en Lc para todos los casos de agregar tiras de Ge entre las dos guías de ondas de cresta de Si adyacentes en relación con las tiras no utilizadas. Las Figuras 5b a e representan la distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) para las estructuras analizadas con un ancho efectivo que proporciona un Lc máximo. En el caso de una sola tira de Ge, Lc se vuelve ≈ 4 veces mayor que en el caso de ninguna tira. Mientras que para otros casos (tiras de 2, 3 y 4 Ge), Lc aumenta en 4 órdenes de magnitud, lo que se considera un aumento muy alto como se ilustra en la Fig. 5a y la Tabla 2. Este gran aumento en Lc se debe a la pequeña diferencia en neff entre los modos simétrico y antisimétrico en el ancho óptimo. El dispositivo sugerido con tiras de Ge proporciona un rango mucho más amplio de relación de permitividad. Para los diseños con tiras de 2, 3 y 4 Ge, las curvas Lc tienen dos picos como se puede ver en la Fig. 5a. Debido a que se acerca a la relación de permitividad óptima en el ancho efectivo de las tiras de Ge. El Lc alcanza el valor máximo de 3,3 m al añadir tiras de 2 Ge entre las dos guías de ondas de Si con un ancho óptimo de 147 nm. En este caso, la diferencia en neff es muy pequeña, alrededor de 1 × 10−6, y por lo tanto la Lc es extremadamente grande (ecuación 1), lo que permite colocar guías de ondas cerca unas de otras con un CT insignificante. Para obtener más explicaciones, la Tabla 3 muestra la distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) y la intensidad del campo eléctrico (gráfico de líneas 1D) de los modos TE simétricos y antisimétricos en diferentes anchos (ds) de la estructura de tiras de 2-Ge. Los parámetros geométricos utilizados son w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm. Como se muestra en la Tabla 3, cuando cambia el ds de las 2 tiras de Ge uniformes, Lc y la intensidad del campo también cambian. El acoplamiento entre dos guías de ondas adyacentes cualesquiera se puede controlar alterando la permitividad a lo largo de las direcciones horizontal y vertical cambiando el tipo de tiras (material en sí), el número y las dimensiones. En condiciones óptimas, el acoplamiento entre dos guías de ondas se vuelve débil y la longitud del acoplamiento será muy grande. Esto explica por qué en la Fig. 5a la curva Lc correspondiente al caso de las tiras de 2-Ge tiene dos picos, en ds = 147 nm y 102 nm. Además, esto interpreta por qué la intensidad del campo en un núcleo es alta (es decir, el campo E está bien confinado) y el otro es débil a 102 nm y especialmente a 147 nm (Fig. 5c) en comparación con otros anchos estudiados, como se ilustra. en la Tabla 3. Sin embargo, en los casos de anchos de franja no óptimos (todas las filas de la Tabla 3 excepto las filas 2 y 4), el campo se divide entre los dos núcleos mostrando un fuerte acoplamiento entre ellos. Este resultado lo revelan los Lcs que se muestran en la columna derecha de la Tabla 3. Un aviso importante es que con tiras de Ge de ds = 147 nm, la relación de aspecto del diseño se vuelve ≈ 1:4, lo cual es factible mediante métodos estándar de nanofabricación. Sin embargo, la Lc disminuye con un aumento relativo en el ancho de las tiras de Ge (por ejemplo, ≥ 190 nm para la tira de 1 Ge) a medida que las ranuras de aire entre las tiras y las guías de ondas se vuelven muy delgadas, lo que a su vez aumenta la superposición de ondas evanescentes.

(a) Variación de la longitud de acoplamiento Lc con el ancho ds y el número de tiras de Ge y sin tiras para dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm. Distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) de los modos TE simétricos y antisimétricos para cada caso en el ancho efectivo donde Lc alcanza el valor más grande. (b) tira de 1 Ge con un ancho de 180 nm, (c) tiras de 2 Ge con un ancho de 147 nm, (d) tiras de 3 Ge con un ancho de 55 nm y (e) tiras de 4 Ge con un ancho de 39 nm. Las imágenes de la distribución del campo eléctrico son creadas por COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (número de licencia: 17074294) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

Como se ve en las Figs. 3b – e y 5b – e, insertar tiras de Ge entre los dos núcleos de Si en lugar de tiras de Si hace que el campo esté más confinado en un núcleo que en el otro. Por lo tanto, el acoplamiento entre las dos guías de ondas de Si se vuelve muy débil al usar tiras de Ge y, por lo tanto, Lc se vuelve muy grande. Para ilustrar aún más esta idea, la Fig. 6. Muestra la distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) y la intensidad del campo eléctrico (gráfico de líneas 1D) de los modos TE simétricos y antisimétricos para las estructuras de tiras de 2-Ge, 2-Si. tiras, y el de sin tiras. Vale la pena señalar que este estudio se realiza a λ = 3,5 µm donde los parámetros geométricos w, h, d y ds se toman como 1,5 µm, 0,6 µm, 0,5 µm, 147 nm, respectivamente. La Figura 6 indica que en la estructura con tiras de 2-Ge la intensidad del campo en un núcleo es alta (es decir, bien confinada) mientras que es débil en el otro núcleo en relación con la estructura con tiras de 2-Si. Esto significa que se produce un fuerte acoplamiento entre las dos guías de onda en el caso de tiras de 2-Si (ds = 147 nm) con Lc = 2,47 × 103 μm en comparación con el caso de tiras de 2-Ge (ds = 147 nm) con Lc = 3,3 × 106 μm en el que el acoplamiento se vuelve muy débil. Esto se debe al hecho de que Ge tiene un índice de refracción más alto (n = 4,03541) que Si (n = 3,428442 en λ = 3,5 µm). Entonces, en combinación con CaF2 (n = 1,4143), tiene un índice de contraste grande (≈ 2,62). Además, Ge tiene un amplio rango de transparencia en la región MIR12. Por lo tanto, agregar tiras de Ge reduce la penetración del campo de los modos ópticos desde la primera guía de ondas a la segunda y, por lo tanto, disminuye el nivel de CT18.

Distribución del campo eléctrico (Ey) (gráfico de superficie 2D) e intensidad del campo eléctrico (gráfico de líneas 1D)) de modos TE simétricos y antisimétricos de dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm (a) sin tira (b) tiras de 2-Si con ds = 147 nm, y (c) tiras de 2-Ge con ds = 147 nm. Las imágenes de la distribución del campo eléctrico y la intensidad del campo fueron creadas por COMSOL Multiphysics 5.3, https://www.comsol.com (número de licencia: 17,074,294) publicadas en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

Luego, el análisis de la longitud de acoplamiento se realiza en una amplia gama de longitudes de onda para todos los casos con y sin tiras de Ge en el valor ds óptimo que da Lc máximo en cada caso, como se muestra en la Fig. 7. Esta figura revela que en los casos de 2, 3 , y tiras de 4-Ge, la Lc máxima se obtiene exactamente en λ = 3,5 µm y disminuye al alejarse de esta longitud de onda. Además, en el caso de estructuras con cero y 1 franja, Lc es inferior a 10 cm en todo el rango de longitudes de onda estudiado.

Variación de la longitud de acoplamiento Lc con la longitud de onda para estructuras de dos guías de ondas de silicio adyacentes con parámetros geométricos w = 1,5 µm, h = 0,6 µm y d = 0,5 µm, con y sin tiras de Ge con un ancho efectivo ds ilustrado en la Tabla 2.

Cabe mencionar que al aumentar el Lc el CT disminuye. CT (en escala de dB) se puede calcular mediante la ecuación. (3):

donde Pout es la potencia de salida al final de la segunda guía de ondas, mientras que Pin es la potencia de entrada al comienzo de la primera guía de ondas.

La propagación del modo TE fundamental se estudia a una longitud de dispositivo de L = 1000 µm donde los parámetros geométricos se toman como w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm y λ = 3,5 µm para diferentes casos, sin sumar tiras y añadiendo tiras de Si o Ge como se puede observar en las Figs. 8, 9 y 10, respectivamente. El método FDTD se utiliza para simular la propagación del campo a través de la estructura 3D mediante el paquete de software Lumerical. La estructura se discretiza en rectángulos muy pequeños con una precisión de malla automática no uniforme de 5 y un tiempo de simulación de 15 000 fs para garantizar una alta resolución de simulación. La capa perfectamente adaptada (PML) como condición de contorno absorbente se aplica a todas las direcciones transversales para truncar el dominio de simulación. Es evidente en la Fig. 8 que se produce un acoplamiento completo sin usar tiras entre las dos guías de ondas de Si en Lc ≈ 840 µm, lo que concuerda bien con el resultado de las Figs. 3 y Tabla 1. Sin embargo, agregar tiras de Si afecta la resistencia del acoplamiento, especialmente al aumentar el número de tiras de Si, como se indica en las Fig. 9a y b. Las Figuras 10 muestran que la inserción de tiras de Ge disminuye significativamente el proceso de acoplamiento. Como se ilustra en la Fig. 10b, en la estructura de las tiras de 2 Ge, la luz puede viajar más de 1000 µm con un CT muy pequeño. Esto es completamente compatible con los resultados mostrados en las Figs. 5 y Tabla 2 sobre la estructura de tiras de 2-Ge que indica que se requiere una distancia Lc de 3,3 m para el acoplamiento completo entre las dos guías de ondas con tiras de 2-Ge entre ellas.

Distribución de intensidad del campo eléctrico del modo TE fundamental con una longitud de propagación L = 1000 µm a través de la estructura propuesta sin agregar tiras, donde w = 1.5 µm, h = 0.6 µm, d = 0.5 µm y λ = 3.5 µm. Esta imagen fue creada por Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (número de licencia: 675038) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

Distribución de intensidad del campo eléctrico del modo TE fundamental con una longitud de propagación de L = 1000 µm a través de la estructura propuesta con la adición de tiras de Si, donde w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm y λ = 3,5 µm. (a) Tira de 1-Si con ds = 170 nm, (b) Tiras de 4-Si con ds = 59 nm. Esta imagen fue creada por Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (número de licencia: 675038) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

Distribución de intensidad del campo eléctrico del modo TE fundamental con una longitud de propagación de L = 1000 µm a través de la estructura propuesta con la adición de tiras de Ge, donde w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm y λ = 3,5 µm. (a) Tira de 1 Ge con ds = 180 nm, (b) Tiras de 2 Ge con ds = 147 nm. Esta imagen fue creada por Ansys Lumerical 2022 R1.3, FDTD Solver, https://www.lumerical.com (número de licencia: 675038) publicada en Zewail City of Science and Technology, Giza, Egipto.

Los valores de CT se calculan mediante la ecuación. (3), como se indica en la Tabla 4, donde L ≈ 840 µm y los parámetros geométricos son w = 1,5 µm, h = 0,6 µm, d = 0,5 µm y λ = 3,5 µm. Además, se consideran diferentes casos, sin y con la adición de tiras de Si y Ge entre dos guías de ondas de Si, y los valores CT obtenidos se resumen en la Tabla 4. Vale la pena señalar que L se fija en 840 µm como longitud requerida para un acoplamiento completo. sin franjas entre las dos guías de ondas adyacentes. Además, agregar tiras de Ge es más eficaz para disminuir CT que las tiras de Si. En este contexto, agregar tiras de 2-Ge reduce el CT a -34,6 dB. Este valor de CT puede despreciarse, como se menciona en 50, donde la densidad de integración fotónica se ha evaluado mediante el uso de filtros ópticos y de rama Y. Se ha informado en 50 que si el CT entre dos guías de ondas vecinas es inferior a 30 dB, puede ignorarse. Aquí, el valor obtenido de CT (- 34,6 dB) es mejor que el obtenido en 39 (- 22,38 dB), donde dos tiras de Si asimétricas entre un par de guías de ondas de Si de 500 nm de ancho y una separación de centro a centro de media longitud de onda ( λ = 1,55 µm). Además, el valor CT obtenido en este trabajo es mejor que el reportado en40 (−27,71 dB), donde se insertaron tiras de 3-Ge de w = 45 nm y h = 171 nm entre dos guías de ondas de Si con 500 nm de ancho y separadas. por 250 nm en λ = 1,55 µm.

Según estos resultados, cuanto más larga sea la Lc entre las guías de ondas de Si, menor será el valor de CT. Esto significa que el CT entre guías de ondas depende básicamente de la longitud del acoplamiento. La Tabla 5 describe una comparación entre las longitudes de acoplamiento, la plataforma básica y la longitud de onda operativa de las estructuras de guía de ondas informadas anteriormente y las estructuras propuestas. En este trabajo, se reportan dos diseños basados ​​en la plataforma SOCF en lugar del SOI estándar. El primer diseño se construye insertando tiras de Si entre dos guías de ondas de Si, en el caso de las tiras de 4-Si se obtiene un Lc mayor (5,32 mm) que los reportados en25,51. Sin embargo, en28, el caso de tiras de 3-Si en el NIR alcanza un Lc mayor de 332 mm. Cabe mencionar que el diseño basado en plataforma SOCF con tiras de 3-Si de dimensiones w = 500 nm, h = 220 nm y d = 500 nm (que se ajustan al régimen NIR) ofrece Lc de 660 mm a λ = 1,55 μm. . El segundo diseño depende de insertar tiras de Ge entre dos guías de ondas de Si en las que el caso de las tiras de 2-Ge da el valor más alto de Lc (3,3 m) que es mayor que el reportado en40. Sin embargo, en 29, el uso de 3 tiras de Si no uniforme en el NIR tiene un Lc grande de 312,2 m. Por el contrario, el método de añadir tiras uniformes es el más directo y sencillo de fabricar. Por lo tanto, la estructura informada con tiras de 2-Ge se puede utilizar como un candidato prometedor para minimizar la CT entre dos guías de ondas fotónicas cercanas en el régimen de longitud de onda MIR.

En este artículo, se informan y analizan dos diseños basados ​​en la plataforma de silicio sobre fluoruro de calcio con conjuntos de tiras uniformes de Ge/Si para minimizar la CT entre dos guías de ondas adyacentes en el rango de longitud de onda MIR. La longitud de acoplamiento entre los dos modos fundamentales en las dos guías de ondas vecinas aumenta al aumentar la tasa de desintegración del campo evanescente del núcleo excitado. Esto se logra controlando el material, el número y las dimensiones de las tiras agregadas. La Lc calculada aumenta en factores de 2,5 a 6,5 ​​en el caso de insertar tiras de Si entre las dos guías de ondas de Si adyacentes con respecto al caso de ninguna tira, logrando un CT permitido de −9,83 dB. Mientras que Lc aumenta en 4 órdenes de magnitud al agregar tiras de Ge. El valor máximo de Lc = 3,3 m se obtiene sumando tiras de 2-Ge con un CT muy pequeño de −34,64 dB. Por lo tanto, casi no hay acoplamiento entre las dos guías de ondas de Si adyacentes. En resumen, el enfoque propuesto es beneficioso para lograr una reducción de CT de banda ancha y altamente eficiente en el régimen MIR. Como consecuencia, se pueden lograr PIC de densidad ultraalta en este rango espectral y, por lo tanto, allanarán el camino para un mayor desarrollo en diferentes aplicaciones, como divisores de polarización52, rotadores de polarización53 e interruptores fotónicos integrados54.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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MM Elkholy

Programa de Ingeniería en Nanotecnología y Nanoelectrónica, Ciudad de Ciencia, Tecnología e Innovación de Zewail, Jardines de Octubre, Ciudad 6 de Octubre, Giza, 12578, Egipto

Mohamed Farhat O.Hameed

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BMY y MFOH han propuesto la idea principal del trabajo reportado. NME ha realizado todo el trabajo de simulación relacionado con la investigación propuesta. NME, BMY, MFOH y SSAO han contribuido en el análisis, discusión y redacción del artículo. MAG y MME han contribuido en la discusión y revisión del artículo.

Correspondencia a Mohamed Farhat O. Hameed o SSA Obayya.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Elgammal, NM, Younis, BM, Gaafar, MA et al. Reducción eficiente de diafonía MIR basada en una plataforma de silicio sobre fluoruro de calcio con matrices de tiras de Ge/Si. Representante científico 13, 7233 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34116-9

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Recibido: 31 de julio de 2022

Aceptado: 25 de abril de 2023

Publicado: 04 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34116-9

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