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May 31, 2023

실리콘 기반의 효율적인 MIR 누화 감소

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7233(2023) 이 기사 인용 492 액세스 측정항목 세부 정보 인접한 광자 구성 요소 간의 누화(CT)를 줄이는 것은 여전히 ​​큰 과제입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7233(2023) 이 기사 인용

492 액세스

측정항목 세부정보

인접한 광자 구성 요소 간의 누화(CT)를 줄이는 것은 높은 패킹 밀도의 광자 집적 회로(PIC)를 제조하는 데 여전히 큰 과제입니다. 최근 몇 년 동안 이러한 목표를 달성하기 위한 기술이 거의 제공되지 않았지만 모두 근적외선 영역에 적용되었습니다. 본 논문에서는 우리가 아는 한 처음으로 MIR 체제에서 고효율 CT 감소를 실현하기 위한 설계를 보고합니다. 보고된 구조는 균일한 Ge/Si 스트립 어레이를 갖춘 SOCF(실리콘 온 칼슘 플루오라이드) 플랫폼을 기반으로 합니다. Ge 스트립을 사용하면 MIR 영역의 넓은 대역폭에 걸쳐 기존 Si 기반 장치보다 더 나은 CT 감소와 더 긴 결합 길이(Lc)를 보여줍니다. Lc와 CT에 인접한 두 개의 Si 도파관 사이에 서로 다른 치수를 갖는 서로 다른 수의 Ge 및 Si 스트립을 추가하는 효과는 전체 벡터 유한 요소 방법과 3D 유한 차분 시간 영역 방법을 모두 사용하여 분석됩니다. 스트립이 없는 Si 도파관과 비교하여 Ge 및 Si 스트립을 사용하면 각각 4배 및 6.5배의 Lc 증가가 얻어집니다. 결과적으로 Ge 및 Si 스트립에 대해 각각 -35dB 및 -10dB의 누화 억제가 표시됩니다. 제안된 구조는 MIR 통신 집적 회로, 분광계 및 센서에 중요한 스위치, 변조기, 스플리터 및 파장 분할 (디)멀티플렉서와 ​​같은 MIR 체제의 높은 패킹 밀도 나노포토닉 장치에 유용합니다.

지난 수십 년 동안 나노포토닉스 기술의 빠른 발전과 함께 실리콘 포토닉스는 상보성 금속산화물 반도체(CMOS) 기술1과의 호환성 덕분에 많은 관심을 받았습니다. MIR 파장 영역(2~10μm 범위)은 다양한 실제 응용 분야를 제공합니다. 결과적으로 이는 과학계와 산업계의 뜨거운 연구 주제가 되었습니다. "분자 지문" 스펙트럼이라고도 하는 MIR 스펙트럼 범위에는 근적외선 영역에 해당하는 것보다 수천 배 더 큰 스펙트럼 강도를 갖는 대부분의 분자에 대한 중요한 회전, 진동 및 흡수 피크가 포함되어 있습니다2. 따라서 MIR 체제는 생물학적 및 화학적 감지3, 가스 감지4, 의료 진단, 열 화상5, 환경 오염 모니터링2, 의료 및 산업 공정 제어6,7를 포함한 다양한 응용 분야를 제어합니다. MIR 체제의 이러한 뛰어난 기능은 연구자들이 커플러8, 도파관5, 광검출기9, 링 공진기10, 변조기11 및 센서4와 같은 실리콘 포토닉스 구성 요소/장치를 설계하도록 유도합니다. MIR 포토닉스에서 게르마늄은 여러 가지 이유로 가장 중요한 재료 중 하나로 간주됩니다12. 이러한 맥락에서 Ge는 최대 16.7μm13의 넓은 투명도 범위, 높은 자유 캐리어 밀도14 및 큰 굴절률(n = 4)15을 갖습니다. 따라서 불화칼슘(CaF2)과 같은 저굴절률 재료와 결합하면 높은 굴절률 대비를 얻을 수 있습니다. 2012년에는 최초의 실리콘 기반 MIR 게르마늄(Ge-on-Si) 도파관이 공개되었으며16, 그 후 손실이 낮은(1dB/cm 미만) 도파관이 출시되었습니다17. 또한 Ge-on-CaF2는 광 도파관 효율적인 플랫폼으로 활용되었습니다.

S/GOI(실리콘/게르마늄 절연체 플랫폼)에서는 코어(예: Si, Ge)와 그 클래딩 또는 기판(예: Si, Ge)의 굴절률의 높은 비대칭으로 인해 작은 영역에서 빛을 가두는 것이 쉽게 달성될 수 있습니다. , SiO2, 공기). SOI 플랫폼을 사용하면 PIC19에 사용되는 여러 가지 초소형 고성능 광자 구성 요소를 구축할 수 있습니다. 그러나 PIC의 패킹 밀도는 여전히 낮으며 이는 대규모, 저비용, 다층 하이브리드 집적 회로를 개발하는 데 중요한 장애물입니다.

최근에는 PIC의 밀집된 통합을 개선하기 위한 새로운 접근 방식이 보고되었습니다. 이와 관련하여 플라즈몬 도파관 금속-유전체 하이브리드 구조 및 메타물질 기반 구조를 사용하여 장치의 설치 공간을 줄일 수 있습니다. PIC 설계에서는 도파관이 서로 미치는 영향을 고려해야 합니다. 이는 인접한 도파관 사이의 모드 중첩으로 인해 발생하며, 이로 인해 도파관 사이에 일부 결합과 CT가 발생합니다. 그러나 광학 모드가 강하게 제한되면 도파관 간의 중첩과 CT가 약하고 중요하지 않습니다. 결과적으로 CT는 광 도파관 및 장치 패킹 밀도의 필수 요소로 간주됩니다. 따라서 최근 나노포토닉 클로킹(nanophotonic cloaking) 및 도파관 초격자(waveguide super-lattices)와 같은 다양한 누화 감소 기술이 개발되었습니다. 결과는 대부분의 CT 감소 방법이 통신 파장인 1.3μm 및 1.55μm에서 얻어졌음을 나타냅니다. 또한 PIC25,26의 유도광을 제어하기 위해 파장 이하의 실리콘 스트립과 격자가 광 도파관에 도입되었습니다. 결과적으로 최근 몇 년 동안 소형 결합 도파관 장치가 등장했습니다. Khavasi et al.25는 두 개의 인접한 도파관 사이에 두 개의 하위 파장 스트립을 추가했는데, 여기서 완전 유전체 메타물질은 고도로 제한된 모드를 생성했습니다. 따라서 스트립이 없는 경우에 비해 Lc의 눈에 띄는 증가가 유도됩니다. Lc는 스트립이 없는 경우와 비교할 때 인접한 두 도파관 사이에 3개의 실리콘 스트립을 추가하여 최대 2배까지 확장됩니다. Yuet al. 도파관의 동일한 파장과 크기에서 수치 결과를 얻었습니다. 또한 Yang et al. 두 개의 도파관 사이에 3개의 불균일한 Si 스트립을 도입하여 얻은 것보다 3배 더 큰 크기로 Lc를 개선했습니다. 앞서 언급한 모든 연구는 NIR 영역, 즉 표준 SOI 도파관 사이의 실리콘 스트립 또는 격자 도입을 기반으로 하는 λ = 1.55μm에서 수행되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다.