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Jul 19, 2023

Divisor de haz de polarización de banda ancha ultracorto basado en una guía de ondas plasmónica híbrida combinada

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 19609 (2016) Cita este artículo 3044 Accesos 47 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics Proponemos un divisor de haz de polarización de banda ancha (PBS) ultracompacto

Scientific Reports volumen 6, número de artículo: 19609 (2016) Citar este artículo

3044 Accesos

47 citas

1 altmétrica

Detalles de métricas

Proponemos un divisor de haz de polarización de banda ancha (PBS) ultracompacto basado en una guía de ondas plasmónica híbrida combinada (HPW). El PBS propuesto separa los modos eléctrico transversal (TE) y magnético transversal (TM) utilizando un HPW inferior doblado con espacios a nanoescala verticales y un HPW superior recto con un espacio a nanoescala horizontal, respectivamente, sin depender de una región de acoplamiento adicional. Este diseño reduce considerablemente la longitud del PBS a la escala submicrónica (920 nm, el PBS más corto registrado hasta la fecha) al tiempo que ofrece índices de extinción de polarización (PER) de ~19 dB (~18 dB) y pérdidas de inserción (IL) de ~0,6 dB (~0,3 dB) para el modo TE (TM) en una banda extremadamente amplia de 400 nm (de λ = 1300 nm a 1700 nm, cubriendo completamente la segunda y tercera ventana de telecomunicaciones). La longitud del PBS diseñado se puede reducir aún más a 620 nm y al mismo tiempo ofrecer PER de 15 dB, creando un circuito integrado densamente fotónico. Teniendo en cuenta la tolerancia de fabricación, el PBS diseñado permite grandes desviaciones geométricas de ±20 nm al tiempo que restringe las variaciones de PER a 1 dB, excepto aquellas en espacios a nanoescala menores a 10 nm. Además, también abordamos las eficiencias de acoplamiento de entrada y salida del PBS propuesto.

Para satisfacer las crecientes demandas de transmisión de los sistemas de comunicación óptica, la multiplexación por división de polarización (PDM) desempeña un papel fundamental en la manipulación de señales ópticas para circuitos integrados fotónicos (PIC) a escala de chip1,2,3,4,5. Los divisores de haz de polarización (PBS), que separan los modos eléctrico transversal (TE) y magnético transversal (TM), son componentes esenciales para PDM4 y permiten que los dos modos de polarización se procesen de forma independiente, duplicando el ancho de banda del tráfico. Numerosos criterios utilizados para evaluar los PBS incluyen dimensiones del dispositivo, índices de extinción de polarización (PER), pérdidas de inserción (IL), anchos de banda operativos, tolerancias de fabricación y complejidades estructurales. Entre ellos, minimizar las dimensiones del PBS manteniendo al mismo tiempo un rendimiento satisfactorio del dispositivo es deseable para construir receptores coherentes y es de vital importancia para desarrollar PIC ultradensos de próxima generación. A lo largo de los años, muchos tipos de PBS5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31,32,33,34,35 Se ha informado que han utilizado varios diseños y han incluido dispositivos de evolución de modo adiabático (AME)6,7, acopladores direccionales (DC)8,9,10, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, dispositivos de interferencia multimodo (MMI)21,22,23,24,25, interferómetros Mach-Zehnder (MZI)26,27,28, cristales fotónicos (PhC)29,30,31 y estructuras de rejilla31,32,33. La mayoría de los PBS6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,28,32,33,34 han adoptado silicio- plataformas sobre aislante (SOI) para disminuir efectivamente las dimensiones del dispositivo mediante el uso de las propiedades de contraste de alto índice de estas plataformas.

Para lograr PER satisfactorios, los PBS6,7 basados ​​en AME deben ser muy largos (>200 μm) debido a sus geometrías de lenta evolución, pero tienen una tolerancia de fabricación y requisitos de operación de banda ancha menos estrictos. Aunque las longitudes de los dispositivos de los PBS basados ​​en CC8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 se pueden reducir a varias o decenas de micrómetros con PER razonables (10–20 dB ), los anchos de banda operativos son más estrechos que los de los PBS basados ​​en AME debido al requisito de utilizar modos de fase coincidente con un acoplamiento sintonizado con precisión. Los PBS basados ​​en MMI21,22,23,24,25 tienen un proceso de fabricación más simple y una mayor tolerancia de fabricación que los de los PBS basados ​​en AME; sin embargo, las dimensiones de los dispositivos MMI convencionales35,36 están determinadas por el múltiplo común de las longitudes de autoimagen37 de los modos TE y TM, lo que da como resultado dispositivos muy largos (>1000 μm). Para acortar las longitudes de los PBS basados ​​en MMI, recientemente se han informado algunos diseños innovadores, incluida la interferencia de dos modos21 (~8,8 μm), la interferencia de dos modos 2 × 222 (~0,94 μm para la longitud de la sección MMI únicamente distinta de la PBS completo, se deben incluir las longitudes de la parte de entrada/salida), metal-aislante-metal (MIM) integrado22 (~44 μm), guía de ondas plasmónica híbrida (HPW)24 (~2,5 μm) y en cascada25 (<950 μm ) MMI. Hasta la fecha, el PBS más corto reportado se obtuvo para un MMI que utilizó una guía de ondas plasmónica híbrida (HPW)24 y logró una longitud submicrónica con un PER >10 dB en un ancho de banda de 80 nm. Los PBS basados ​​en MZI26,27,28, además de requerir materiales altamente birrefringentes, tenían longitudes de dispositivo demasiado largas (300–3000 μm). Otras opciones que pueden producir longitudes de dispositivo de decenas de micrómetros son los dispositivos que utilizan PBS basados ​​en PhC29,30,31 y PBS basados ​​en rejillas32,33,34. Las desventajas del primero son la complejidad de fabricación y las pérdidas relativamente grandes debidas a la dispersión; estos últimos, además de tener un proceso de fabricación igualmente complicado, también son difíciles de integrar en los PIC.

Entre los PBS antes mencionados6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33,34,35,36, los PBS basados ​​en DC8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 se han convertido en los más populares, debido a su simplicidad estructural, desempeño satisfactorio y diseños diversos. En un PBS basado en CC, un modo seleccionado se separa mediante acoplamiento de campo evanescente a la barra transversal, mientras que el modo restante se propaga directamente a lo largo de la barra pasante. Teóricamente, seleccionar materiales altamente dependientes de la polarización es beneficioso para mejorar los PER y acortar la longitud del acoplamiento y, por lo tanto, a menudo se utiliza una plataforma SOI de alto índice de contraste8,9,11,15,17,20. Además de utilizar dieléctricos de alto índice de contraste, los metales exhiben birrefringencias más fuertes inducidas por la excitación de los modos guiados por polariton de plasmón superficial (SPP), para los cuales la mayor parte del campo eléctrico debe ser perpendicular a la superficie del metal. Además, el confinamiento de modos SPP que rompen el límite de difracción38 también es ventajoso ya que mejora significativamente el grado de integración de los dispositivos fotónicos39,40,41,42. Sin embargo, las pérdidas óhmicas inherentes de los modos SPP son mucho mayores que las de los modos guiados por dieléctricos.

Teniendo en cuenta el equilibrio entre el confinamiento del modo y la pérdida de propagación, se ha propuesto una estructura HPW43,44,45,46,47 que consiste en una capa espaciadora de bajo índice entre un dieléctrico de alto índice y un metal para reducir significativamente la pérdida óhmica al formando un modo plasmónico híbrido acoplando un modo SPP puro y un modo de guía de ondas dieléctrica. Como resultado, recientemente se ha informado que muchos PBS basados ​​en CC que utilizan HPW11,12,13,14,16,18,19 reducen aún más las dimensiones de los PBS y al mismo tiempo tienen longitudes de propagación razonables de decenas de micrómetros. Se propuso un PBS11 corto de 1,1 μm utilizando cilindros de plata a nanoescala para realizar la selección de polarización entre dos guías de ondas de silicio. Los PER fueron 22,1 dB y 23,1 dB para los modos TE y TM, respectivamente. Sin embargo, los cálculos numéricos se limitaron a una estructura bidimensional. Guan et al.12 informaron de un acoplador direccional asimétrico que consta de un HPW y un nanocables de silicio. La longitud del PBS fue de 3,7 μm y los PER de los dos modos polarizados fueron de aproximadamente 12 dB. En las referencias 13 y 14, ambos PBS también se basaron en estructuras DC asimétricas. En ref. 13, la CC asimétrica constaba de una guía de ondas ranurada horizontalmente y una HPW. La longitud del PBS fue de 5 μm con PER de aproximadamente 20 dB. En ref. 14, el PBS consistía en una guía de ondas dieléctrica de tira y un HPW. La longitud del dispositivo fue de 4,13 μm y los PER fueron de 16,4 dB y 20,9 dB para los modos TE y TM, respectivamente. Se informó que otro diseño que utiliza un DC16,18 de tres puertos logra PER más altos (>20 dB). Sin embargo, las longitudes de los dispositivos eran mayores que las de las estructuras de CC asimétricas13,14. El PBS tridimensional más corto basado en CC con una estructura HPW19 (~2,5 μm) adoptó una matriz de nanobarras de cobre colocada entre dos guías de ondas de silicio. Utilizando la resonancia de plasmón superficial localizada entre las guías de ondas de silicio, el modo TE se acopló eficazmente al canal cruzado, lo que redujo significativamente la longitud del dispositivo y produjo un PER de ~15 dB.

En este artículo, proponemos un diseño innovador para un PBS basado en un HPW combinado (CHPW) que consta de dos partes: un HPW inferior doblado depositado sobre una plataforma SOI y formado por un núcleo de silicio (Si) de alto índice intercalado entre dos de bajo índice. -capas indexadas a nanoescala de dióxido de silicio (SiO2) y Ag y un HPW superior recto formado por una capa a nanoescala de SiO2 intercalada entre las capas de Si y Ag. De esta manera, los modos TE y TM son compatibles con los HPW inferiores doblados y superiores rectos, respectivamente, sin el requisito de una región de acoplamiento que normalmente es indispensable en los PBS basados ​​en DC. La idea clave permite acortar la longitud del PBS propuesto a una escala submicrónica manteniendo PER satisfactorios y amplios anchos de banda operativos. Además, la tolerancia de fabricación también se analiza en detalle para evaluar la viabilidad del PBS diseñado.

El esquema del PBS propuesto (Fig. 1 (a)) consta de dos estructuras HPW depositadas sobre un sustrato de SiO2 (representado en azul). Para ver claramente la estructura interior, la Fig. 1 (b) muestra la estructura HPW inferior doblada del PBS propuesto levantada de las capas superiores de Si (representadas en naranja), SiO2 y Ag (representadas en gris). La estructura HPW inferior doblada está formada por un núcleo de Si que se intercala sucesivamente entre capas de SiO2 y Ag y la estructura HPW superior recta (Fig. 1 (a)) que está apilada en la parte inferior está formada por una capa horizontal de SiO2 intercalada entre Si y Ag. Según el mecanismo HPW, los modos TE (es decir, la mayor parte del campo eléctrico está en la dirección x) y TM (es decir, la mayor parte del campo eléctrico está en la dirección y) se guían a través de las partes inferior y superior, respectivamente. y las energías de los dos modos se concentran principalmente en las capas de nanoescala de SiO2. Las vistas en sección transversal del PBS propuesto en el puerto de entrada, en el puerto de salida para transmitir el modo TM (puerto 2) y en el puerto de salida para transmitir el modo TE (puerto 1) se muestran en la Fig. 1 (c). (con los parámetros geométricos), 1(d) y 1(e), respectivamente. Tenga en cuenta que el novedoso diseño del PBS propuesto permite que los modos TE y TM estén separados por las estructuras HPW inferior curvada y superior recta, respectivamente, sin el requisito de una región de acoplamiento, lo que hace que la longitud del PBS diseñado sea extremadamente corta. En este caso, la guía de ondas doblada a 90° ayuda a desacoplar los dos modos muy claramente y, por lo tanto, mejora el rendimiento del PBS propuesto.

(a) Esquema 3D del PBS propuesto, que está rodeado de aire (región blanca). La parte superior está formada por SiO2 (representado en azul) intercalado entre Si (representado en naranja) y Ag (representado en gris) y guía el modo TM. La parte inferior está formada por Si que está rodeado por SiO2 y cubierto por Ag y guía el modo TE. (b) El PBS propuesto se despegó del Si superior, SiO2 y algo de Ag, dejando la estructura interior de la parte inferior claramente visible. Secciones transversales de (c) puerto de entrada y (d) puerto de salida para transmitir el modo TM (es decir, la mayor parte del campo eléctrico está en la dirección y) y (e) puerto de salida para transmitir el modo TE (es decir, la mayor parte del campo eléctrico está en dirección x).

Los procesos de fabricación del dispositivo propuesto se muestran esquemáticamente en la Fig. 2. En primer lugar, las máscaras duras estampadas de los canales TE doblados y TM rectos se fabrican mediante litografía por haz de electrones (EBL) de alta resolución. Luego de ello, procedemos a realizar los siguientes pasos. (1) Se prepara un sustrato de SiO2 (azul) para depositarlo con una película delgada fotorresistente (PR) negativa (amarilla) para definir la región interna de Si mediante la máscara anterior del canal TE doblado, una exposición PR con luz ultravioleta (UV). , revelado y proceso de grabado. (2) Se forma un pozo con ancho w1 y alto h1 grabando SiO2 y levantando la película PR. (3) Se deposita una capa de Si con una altura de h1 mediante deposición química de vapor (CVD) en el pozo. Después de eso, procedemos al proceso de pulido químico mecánico (CMP) para obtener un plano. (4) Las paredes de SiO2 en ambos lados de Si con un ancho de 2w2 + w1 se definen mediante procesos que incluyen una deposición de película de PR, una máscara estampada, una exposición de PR, un revelado y un proceso de grabado. (5) Con la ayuda de una máscara estampada, se forman dos paredes verticales de SiO2 mediante grabado de iones reactivos (RIE) y luego se levanta el PR. (6) Las regiones Ag con un ancho de w3 - 2w2 - w1 se definen primero utilizando la máscara estampada del canal TE doblado y depositando una película PR. A continuación, se define el canal TM levantando la película PR de esa parte utilizando la máscara estampada del canal TM. (7) Se deposita una capa de Ag con una altura de h1 + h2. (8) Al quitar la película PR se forma el canal TE doblado final y el canal TM recto sin capas de SiO2 y Si todavía. (9) Se deposita una capa de SiO2 con una altura de h1 + h2 + h3 mediante oxidación térmica. A continuación, utilice CMP para obtener una superficie plana de SiO2. (10) Después de depositar la película PR, utilizamos la máscara estampada del canal TM, una exposición PR, un revelado y un proceso de grabado para formar una película PR con un ancho de w3. (11) Con la ayuda de una máscara estampada, el grabado de SiO2 mediante RIE forma la capa de SiO2 con un ancho de w3 y una altura de h3 en la parte superior de la capa de Ag del canal TM recto. (12) Después de retirar la película de PR, se deposita una capa de Si con una altura de h1 + h2 + h3 + h4. A continuación, utilice CMP para obtener una superficie plana de Si. (13) Después de depositar la película PR sobre la capa de Si, usando la máscara estampada del canal TM, se realiza una exposición y revelado de PR para formar una película PR con un ancho de w3. (14) Finalmente, el dispositivo propuesto se forma grabando Si y retirando la película PR.

Diagrama esquemático de los procesos de fabricación del PBS propuesto.

Para diseñar un PBS óptimo, primero analizamos las propiedades del modo del PBS propuesto. Las permitividades relativas de Si, SiO2 y Ag utilizadas en este modelo son εSi = 11,93748, εSiO2 = 2,08848 y εAg = −129,2 + 3,285i49, respectivamente, suponiendo funcionamiento a una longitud de onda de telecomunicaciones de λ = 1550 nm. Considerando el equilibrio50 entre el confinamiento del modo y las longitudes de propagación de los modos HPW, los parámetros geométricos seleccionados son w1 = 80 nm, w2 = 5 nm, w3 = 240 nm, h1 = 200 nm, h2 = 50 nm, h3 = 5 nm y h4 = 200 nm (ver Fig. 1(c)). Los índices de refracción efectivos de los modos TE y TM se calcularon como y, respectivamente (ver métodos). Observamos que los principales perfiles de campo de los modos TE (Ex) y TM (Ey) (como se muestra en la Fig. 3 (a, b), respectivamente) se limitan principalmente a las brechas de SiO2 a nanoescala debido a los efectos de acoplamiento de modos del dieléctrico. Guía de ondas y modo SPP en HPW. Las brechas de SiO2 más pequeñas producen un mayor confinamiento energético. Para considerar el esfuerzo de fabricación, el tamaño del modo y el rendimiento del dispositivo, seleccionamos que el ancho de los espacios de SiO2 sea de 5 nm, lo que se puede lograr con la tecnología de fabricación actual. Además, el espacio de h2 = 50 nm es suficiente para evitar eficazmente el acoplamiento de campo evanescente entre los modos TE y TM. Para evaluar cuantitativamente las propiedades del modo de un HPW, se calcularon el área del modo normalizado y la longitud de propagación (ver métodos). Los resultados calculados para la estructura actual son Ae/Ao = 3,1 × 10−3 (1,24 × 10−2) y Lm = 10,91 (20,18) μm para el modo TE (TM). Para el modo TE, el tamaño del modo es menor que el del modo TM debido a la cobertura completa por metal; Sin embargo, una desventaja son las mayores pérdidas óhmicas de los metales. La Figura 3 (c, d) muestra los campos eléctricos menores, Ez, de los modos TE y TM, respectivamente, que son responsables de la atenuación del metal51. Tenga en cuenta que las magnitudes de los campos Ez menores que se muestran en la Fig. 3 (c, d) son dos órdenes de magnitud más pequeñas que las de los campos Ex o Ey dominantes que se muestran en la Fig. 3 (a, b). Observamos que los campos Ez de los modos TE y TM se concentran en el metal y en el Si superior, respectivamente. Por lo tanto, la pérdida óhmica del modo TE (Lm = 10,91 μm) es mayor que la del modo TM (Lm = 20,18 μm), lo que demuestra las longitudes de propagación calculadas. Los resultados numéricos anteriores muestran que la estructura HPW propuesta es capaz de lograr una localización de campo a nanoescala al tiempo que ofrece distancias de propagación suficientemente largas (decenas de micrómetros) y, por lo tanto, puede aplicarse para construir un PBS ultrapequeño.

(a) perfil de campo eléctrico, Ex, de TE, (b) perfil de campo eléctrico, Ey, de TM, (c) perfiles de campo eléctrico, Ez, de TE y (b) perfiles de campo eléctrico, Ez, de modos TM bajo el condiciones w1 = 80 nm, w2 = 5 nm, w3 = 240 nm, h1 = 200 nm, h2 = 50 nm, h3 = 5 nm y h4 = 200 nm.

Las distribuciones del campo de propagación de los modos TE y TM se muestran en la Fig. 4 (a, b), respectivamente, para un radio de curvatura de R = 800 nm. Observamos que los dos modos están separados de forma independiente en las partes superior e inferior del PBS propuesto. A diferencia de los PBS típicos basados ​​en CC8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, no se requiere ninguna región de acoplamiento para dividir un modo específico del puerto de entrada, lo que hace que la propuesta PBS extremadamente corto. Para analizar más a fondo el rendimiento del dispositivo del PBS propuesto, los PER e IL calculados de los dos modos como funciones de R se muestran en la Fig. 5 (a, b), respectivamente (ver métodos). En la Fig. 5, PERTM (~18 dB) e ILTM (~0,2 dB) varían moderadamente a medida que R aumenta porque el modo TM se propaga en la guía de ondas superior recta en lugar de en la inferior doblada. Por el contrario, PERTE e ILTE aumentan significativamente a medida que aumenta R, como se muestra en la Fig. 5. El aumento en PERTE a medida que aumenta R resulta de la disminución de la radiación de flexión que se transfiere al puerto 2. Para ILTE, el aumento en la distancia de propagación debido al aumento en R conduce a una mayor pérdida óhmica, como se muestra en la Fig. 5 (b). Además, la pérdida por flexión del modo TE como variación de R también se muestra en la Fig. 5 (b). Teóricamente, ILTE (pérdida total de potencia) es la suma de las pérdidas por propagación y flexión. Vemos que la variación de la pérdida por flexión está entre 0,03 y 0,05 dB sin presentar una disminución monótona a medida que aumenta R debido a la presencia de otra guía de ondas que transmite el modo TM. Como se muestra en la Fig. 5 (b), la mayor parte de ILTE se debe a la pérdida de propagación porque la mayor parte de la potencia está altamente confinada en las capas verticales de SiO2 que rodean a Ag. En particular, PERTE y PERTM superan los 15 dB y 18 dB, respectivamente, aunque R se reduce a 500 nm. Bajo la condición R = 500 nm, las dimensiones del PBS diseñado son solo 620 nm (largo) × 620 nm (ancho) × 455 nm (alto). Bajo la condición R = 800 nm, PERTE aumenta aún más hasta superar los 18 dB. Para el IL, que es responsable de las pérdidas intrínsecas de las guías de ondas plasmónicas, el aumento de ILTE a medida que aumenta R es mayor que el de ILTM, porque la pérdida de propagación del modo TE (Lm = 10,91 μm) es aproximadamente el doble que la del TM. modo (Lm = 20,18 µm). Sin embargo, ILTE (~0,6 dB a R = 800 nm) sigue siendo bajo. En general, para lograr un rendimiento satisfactorio (PER > 18 dB e IL < 0,6 dB a R = 800 nm), las dimensiones del PBS propuesto deben ser aproximadamente 920 nm × 920 nm × 455 nm (el PBS más pequeño diseñado hasta ahora) y, por lo tanto, El diseño propuesto tiene un gran potencial para realizar PIC de alta densidad con buen rendimiento. Otra característica fundamental para evaluar un PBS es su ancho de banda operativo con PER e IL satisfactorios. Teniendo en cuenta las dispersiones de los materiales utilizados48,49, la Fig. 5(c,d) muestra PER e IL frente a la longitud de onda operativa λ entre 1300 nm y 1700 nm. Los resultados muestran que el PBS propuesto puede funcionar en un amplio ancho de banda de 400 nm con PER > 17 dB e IL < 0,6 dB para ambos modos. Con el funcionamiento en un ancho de banda más estrecho de 200 nm (de 1400 nm a 1600 nm), los PER se pueden mejorar a más de 18 dB. En la Fig. 5 (c, d), observamos que los PER e IL del PBS diseñado son insensibles a la longitud de onda, debido a la falta de condiciones de fase coincidente con acoplamiento preciso que se requieren en los PBS basados ​​en DC y MMI. Finalmente, también se investigó la tolerancia de fabricación para identificar los parámetros geométricos que afectan significativamente el desempeño del presente diseño. Las degradaciones de los PER e IL con variaciones en w1, w3, h1, h2 y h4 estuvieron dentro de 1 dB y 0,2 dB, respectivamente, incluso cuando estos parámetros variaron hasta ±20 nm. Esta estabilidad resulta de que la mayoría de las energías de los modos híbridos SPP se concentran en las capas delgadas de SiO2 (es decir, aquellas con los parámetros geométricos de h3 y w2). En consecuencia, primero estudiamos los PER y los IL mientras variamos h3 (Δh3) y los resultados se muestran en la Fig. 6 (a, b). Los valores considerados de Δh3 oscilan entre −2 nm y 5 nm, porque el espesor h3 diseñado originalmente era de solo 5 nm. Para el modo TM, los valores de PERTM e ILTM estuvieron moderadamente influenciados por Δh3. Se puede entender que una gran parte de la energía reside en la región superior del Si, además de la concentrada en la delgada brecha de SiO2. Por el contrario, como se esperaba, PERTE e ILTE son aproximadamente constantes a medida que varía h3. El otro parámetro geométrico crítico es el ancho (w2) de las regiones verticales de SiO2 que soportan el modo TE. Los PER e IL calculados se muestran en la Fig. 6 (c, d), respectivamente. Claramente, PERTM e ILTM están ligeramente influenciados por Δw2, como se esperaba. A diferencia de PERTM, PERTE está significativamente influenciado por Δw2, como se muestra en la Fig. 6 (c). Esta diferencia resulta de valores mayores de w2 que causan un confinamiento de energía más flexible en el modo TE. Por lo tanto, se acopla más energía al puerto 2 debido a una mayor radiación de flexión. Esto hace que el PERTE se reduzca significativamente. Por el contrario, reducir el ancho del SiO2 aumenta el PERTE debido a un mejor confinamiento energético. De las discusiones anteriores sobre las tolerancias de fabricación, el ancho w2 resulta en la influencia más significativa en PERTE. Como resultado, llegamos a la conclusión de que la capacidad de controlar con precisión el parámetro crítico w2 determina el rendimiento PERTE del PBS propuesto. Afortunadamente, los otros parámetros geométricos además de w2 tienen influencias más moderadas en los PER y los IL. Los resultados confirman las altas tolerancias de fabricación del PBS propuesto, excepto con respecto a Δw2. Para mejorar aún más los PER de TE y TM simultáneamente a mejores valores superiores a 20 dB, podemos disminuir los espesores de las capas de SiO2 entre Si y Ag. Por ejemplo, los PER del modo TE son 21,0 dB y 22,1 dB en las condiciones de w2 = 4 nm y 3 nm, respectivamente, como se muestra en la Fig. 6 (c). En cuanto al modo TM, el PER es de 20,2 dB en la condición de h3 = 2 nm, lo que no aparece en la Fig. 6(a). Sin duda, la precisión de fabricación será mayor. Sin embargo, si sólo se trata del PERTE superior, aumentar el radio de curvatura de la guía de ondas doblada a 1100 nm puede alcanzar 20,85 dB.

Distribuciones de campo de los modos (a) TE y (b) TM a lo largo de los HPW inferiores doblados y superiores rectos del PBS propuesto, respectivamente, con un radio de curvatura de R = 800 nm. Otros parámetros geométricos son idénticos a los de la Fig. 3.

(a) Relaciones de extinción de polarización (PER) y (b) pérdidas de inserción (IL) de los modos TE y TM con la pérdida por flexión del modo TE como funciones del radio de curvatura R. (c) Relación de extinción de polarización (PER) y ( d) pérdida de inserción (IL) versus longitud de onda operativa, λ.

(a) Relación de extinción de polarización (PER) y (b) pérdida de inserción (IL) del PBS propuesto versus variación de h3 (Δh3), (c) Relación de extinción de polarización (PER) y (d) pérdida de inserción (IL) del PBS propuesto versus variación de w2 (Δw2).

Considerando las aplicaciones prácticas del PBS propuesto, abordamos en detalle las eficiencias de acoplamiento de entrada y salida. La luz se acopla al puerto de entrada mediante una guía de ondas de banda de Si con un ancho de 300 nm y una altura de 300 nm que admite los modos fundamentales TE y TM en λ = 1,55 μm. El puerto de salida para transmitir el modo TE está conectado con la misma guía de ondas de banda de Si que la de entrada. Sin embargo, el puerto de salida para transmitir el modo TM está conectado con una guía de ondas slot52 del mismo tamaño y materiales que las del canal TM pero reemplazando el Ag inferior por Si. Esto se debe a que una guía de ondas de ranura facilita lograr una mayor eficiencia de acoplamiento que la de una guía de ondas de banda de Si. Las fuentes de entrada de los modos TE y TM calculadas por el solucionador de modo límite se muestran en la Fig. 7 (a, b), respectivamente. Una vez que se lanza el modo TE de la guía de ondas de banda de Si en el PBS propuesto, obtenemos la distribución del campo de propagación (Ex) para la condición de R = 800 nm como se muestra en la Fig. 8 (a). Las distribuciones de campo 100 nm antes (indicada por una línea roja discontinua entre AA ′) y después (indicada por una línea roja discontinua entre BB ′) de la interfaz de acoplamiento de entrada también se muestran en los recuadros de la Fig. 8 (a). Aquí, la eficiencia del acoplamiento de entrada está determinada por la relación de potencias a lo largo de la dirección z en los planos AA′ y BB′ y el valor calculado es ~94,5%. Además, la distribución del campo de propagación (Ez) del modo TE también se muestra en la Fig. 8 (b) para mostrar claramente la distribución del campo de salida porque la potencia del modo TE fluye a lo largo de una guía de ondas doblada desde la dirección z (acoplamiento de entrada). a la dirección menos x (acoplamiento de salida). Asimismo, las distribuciones de campo 100 nm antes (CC ′) y después (DD ′) de la interfaz de acoplamiento de salida se muestran en los recuadros de la Fig. 8 (b). La definición de eficiencia de acoplamiento de salida es la relación de potencias que fluyen a lo largo de la dirección menos x en los planos CC′ y DD′ y el valor calculado es ~94,7%. Tenga en cuenta que las eficiencias de acoplamiento de entrada y salida son casi idénticas debido a la misma estructura conectada. Para analizar completamente las prestaciones del PBS propuesto, calculamos la eficiencia de acoplamiento total del modo TE definida por la relación de potencia entre los planos AA′ (la potencia fluye a lo largo de la dirección z) y DD′ (la potencia fluye a lo largo de la dirección z). menos dirección x). El valor calculado de la eficiencia de acoplamiento total es ~58,5%. En la Fig. 5 (b), observamos que el ILTE en R = 800 nm es 0,533 dB (la relación de potencia transmitida dentro de la guía de ondas doblada es ~ 88,3%) y la pérdida por flexión es bastante baja en relación con la pérdida de propagación de un plasmónico altamente confinado. modo guía de ondas. Comparando con la eficiencia de acoplamiento total de ~58,5%, calculamos la relación de transmisión de potencia total (~79,1%) sumando las pérdidas de entrada (~94,5%), salida (~94,7%), flexión y propagación (~88,3%). . Descubrimos que la diferencia obvia de ~20,6% entre los dos cálculos se debe a la mayor pérdida por flexión durante el acoplamiento con el modo TE de la guía de onda de banda de Si (modo no altamente confinado) que la del modo TE plasmónico guiado (altamente confinado). modo). Ahora, volvamos la atención al análisis del modo TM. La distribución del campo de propagación (Ey) del modo TM y las distribuciones de campo en los planos de EE ′, FF ′, GG ′ y HH ′ se muestran en la Fig. 8 (c). La eficiencia de acoplamiento de entrada del modo TM se obtiene mediante la relación de las potencias en los planos EE′ y FF′ y el valor de FF′/EE′ es ~88,5%. De manera similar, la eficiencia de acoplamiento de salida del modo TM se obtiene mediante la relación de las potencias en los planos GG′ y HH′ y el valor de HH′/GG′ es ~95,2%. Para el modo TM, la eficiencia de acoplamiento total es la relación de las potencias en los planos EE′ y HH′ y el valor calculado es ~77,3%. En comparación con la relación de potencia de transmisión total (~79,8%) del modo TM, los dos cálculos tienen resultados bastante cercanos como se esperaba porque el modo TM se propaga en una trayectoria recta sin pérdida por flexión.

Distribuciones de campo eléctrico de los modos (a) TE y (b) TM de una guía de ondas de banda de Si con un ancho de 300 nm y una altura de 300 nm. Los dos modos se proporcionan cuando los haces de entrada se acoplan al PBS propuesto.

(a) La distribución del campo de propagación de Ex del modo TE para la condición de R = 800 nm. (b) La distribución del campo de propagación de Ez del modo TE. Los recuadros muestran las distribuciones de campo 100 nm antes (CC′) y después (DD′) de la interfaz de acoplamiento de salida. (c) La distribución del campo de propagación de Ey del modo TM. Los recuadros muestran las distribuciones de campo 100 nm antes (EE′) y después (FF′) de la interfaz de acoplamiento de entrada y 100 nm antes (GG′) y después (HH′) de la interfaz de acoplamiento de salida.

Hemos informado sobre un nuevo PBS basado en un HPW combinado. El PBS propuesto constaba de dos estructuras HPW dispuestas verticalmente. El HPW inferior doblado depositado en una plataforma SOI estaba formado por un núcleo de silicio intercalado sucesivamente entre dióxido de silicio (SiO2) con espacios a nanoescala y Ag y el HPW superior recto estaba formado por un espacio a nanoescala de SiO2 intercalado entre capas de Si y Ag. El concepto innovador del PBS propuesto fue separar los modos TE y TM con HPW inferiores doblados y superiores rectos, respectivamente, sin acoplar uno de los modos de guía al canal adyacente. Como resultado, la longitud del PBS diseñado se volvió extremadamente corta. Con unas dimensiones de 920 nm (largo) × 920 nm (ancho) × 455 nm (alto), que lo convierten en el PBS más pequeño hasta la fecha, el PER del modo TE (TM) fue ~19 dB (18 dB) y el IL fue ~0,6 dB (0,3 dB) en una banda extremadamente amplia de 400 nm (de λ = 1300 nm a 1700 nm). En particular, la insensibilidad a la longitud de onda de las propiedades propuestas del PBS resultó de evitar el requisito de coincidencia de fases de los PBS basados ​​en CC. También se abordan las eficiencias de acoplamiento de entrada y salida de los modos TE y TM. Para el modo TE, tanto el puerto de entrada como el de salida están conectados con guías de onda de banda de Si y las dos eficiencias de acoplamiento son aproximadamente del 94,5%. Para el modo TM, la eficiencia de acoplamiento de entrada conectada con una guía de ondas de banda de Si es de aproximadamente 88,5 % y la eficiencia de salida conectada con una guía de ondas de ranura es de aproximadamente 95,2 %. Sumando la pérdida óhmica de propagación y la pérdida por flexión del PBS propuesto, las eficiencias de acoplamiento totales de los modos TE y TM son aproximadamente 58,5% y 77,3%, respectivamente. Cuando las dimensiones se redujeron aún más a 620 nm × 620 nm × 455 nm, el PBS propuesto aún conservaba PER altos de >15 dB. Estos resultados indican que el PBS propuesto tiene el potencial de realizar PIC de alta densidad con rendimientos satisfactorios.

En este estudio, se calculan numéricamente dos tipos de propiedades, incluidas las características modales y el rendimiento de transmisión del PBS propuesto.

Primero, las propiedades modales en el puerto de entrada se obtienen resolviendo la ecuación de Helmholtz utilizando el análisis modal de límites del software de simulación COMSOLTM Multiphysics, que se basa en el método de elementos finitos (FEM). El área del modo normalizado (Ae/Ao) y la longitud de propagación (Lm = λ/[4πIm(ne)]) de un modo guiado son características esenciales para caracterizar la figura de mérito (FOM) de una guía de ondas plasmónica44, donde Ao = λ2/ 4 denota el área de luz limitada por difracción en el vacío y λ es la longitud de onda operativa. El área del modo efectivo, Ae, en la ecuación. (1) denota la relación entre la energía del modo total, Wm y el valor máximo de la densidad de energía, W(r), que se define en la ecuación. (2):44

y

donde ω es la frecuencia angular, ε(r) es la permitividad relativa, μ0 es la permeabilidad al vacío y |E(r)|2 y |H(r)|2 son las intensidades de los campos eléctrico y magnético, respectivamente. La longitud de propagación representa la distancia sobre la cual la intensidad de la energía del modo se atenúa a 1/e de la luz de entrada, donde Im(ne) es la parte imaginaria del índice del modo efectivo. La ventana calculada (500 × 5000 μm2) con la condición de límite de dispersión que imita el límite abierto necesario para resolver las características del modo es lo suficientemente grande como para garantizar que no haya interferencia del límite que afecte los resultados. Además, la convergencia también se prueba afinando las mallas para ciertas regiones delgadas y campos marcadamente variantes.

Después de obtener las características del modo del PBS diseñado, estudiamos su rendimiento lanzando los modos TE y TM SPP en el puerto de entrada. Para evaluar las características de transmisión de un PBS, necesitamos investigar los PER e IL de un modo específico. Aquí, los modos TE y TM se definen en las ecuaciones (3) y (4), respectivamente:11,12,19

y

donde Pi es la potencia del modo en el puerto i (i = 1, 2 o entrada).

Cómo citar este artículo: Chang, K.-W. y Huang, C.-C. Divisor de haz de polarización de banda ancha ultracorto basado en una guía de ondas plasmónica híbrida combinada. Ciencia. Rep. 6, 19609; doi: 10.1038/srep19609 (2016).

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Los autores desean agradecer al Consejo Nacional de Ciencias de la República de China, Taiwán, por apoyar financieramente esta investigación en virtud del Contrato No. NSC 102-2112-M-005-008-MY3. Los autores también agradecen al Prof. MS Ho y al Prof. CS Wu del Departamento de Física de la Universidad Nacional Chung Hsing, por la contribución al desarrollo de los procesos de fabricación.

Departamento de Física, Universidad Nacional Chung Hsing, 250, Kuo Kuang Rd. Taichung, 402, República de China, Taiwán

Ken-Wei Chang y Chia-Chien Huang

Instituto de Nanociencia, Universidad Nacional Chung Hsing, 250, Kuo Kuang Rd. Taichung, 402, República de China, Taiwán

Chia-Chien Huang

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Todos los autores concibieron la idea diseñada. KWC realizó las simulaciones numéricas. Todos los autores interpretaron y discutieron los resultados. CCH escribió el manuscrito y supervisó todo el trabajo.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Chang, KW., Huang, CC. Divisor de haz de polarización de banda ancha ultracorto basado en una guía de ondas plasmónica híbrida combinada. Informe científico 6, 19609 (2016). https://doi.org/10.1038/srep19609

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Recibido: 03 de septiembre de 2015

Aceptado: 14 de diciembre de 2015

Publicado: 20 de enero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep19609

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