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May 28, 2023

Redução eficiente de crosstalk MIR baseada em silício

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7233 (2023) Citar este artigo 448 Detalhes das métricas de acesso A redução do crosstalk (CT) entre componentes fotônicos contíguos ainda é um grande desafio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7233 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A redução do crosstalk (CT) entre componentes fotônicos contíguos ainda é um grande desafio na fabricação de circuitos integrados fotônicos (PICs) de alta densidade de empacotamento. Poucas técnicas para atingir esse objetivo foram oferecidas nos últimos anos, mas todas na região do IR próximo. Neste artigo, relatamos um projeto para realizar uma redução de CT altamente eficiente no regime MIR, pela primeira vez, até onde sabemos. A estrutura relatada é baseada na plataforma de silício sobre fluoreto de cálcio (SOCF) com matrizes uniformes de tiras Ge/Si. O uso de tiras Ge mostra melhor redução de CT e maior comprimento de acoplamento (Lc) do que os dispositivos convencionais baseados em Si em uma ampla largura de banda na região MIR. O efeito da adição de um número diferente de tiras de Ge e Si com dimensões diferentes entre dois guias de onda de Si adjacentes no Lc e, portanto, no CT é analisado usando o método de elementos finitos vetoriais completos e o método de domínio de tempo de diferença finita 3D. Um aumento no Lc em 4 ordens de grandeza e 6,5 vezes é obtido usando tiras de Ge e Si, respectivamente, em comparação com guias de ondas de Si sem tiras. Consequentemente, é mostrada a supressão de crosstalk de -35 dB e -10 dB para as tiras de Ge e Si, respectivamente. A estrutura proposta é benéfica para dispositivos nanofotônicos de alta densidade de empacotamento no regime MIR, como interruptores, moduladores, divisores e (des) multiplexadores por divisão de comprimento de onda, que são importantes para circuitos integrados de comunicação MIR, espectrômetros e sensores.

Nas últimas décadas, com o rápido desenvolvimento da tecnologia nanofotônica, a fotônica do silício ganhou muito interesse, graças à sua compatibilidade com a tecnologia complementar de semicondutores de óxido metálico (CMOS)1. A região de comprimento de onda MIR (variando de 2 a 10 µm) oferece uma variedade de aplicações práticas. Consequentemente, tornou-se um tema de pesquisa importante para a ciência e a indústria. A faixa espectral MIR, também chamada de espectro de “impressão digital molecular”, contém picos significativos de rotação, vibração e absorção para a maioria das moléculas com uma intensidade espectral que é milhares de vezes maior que a correspondente à região do infravermelho próximo . Portanto, o regime MIR controla uma variedade de aplicações, incluindo detecção biológica e química3, detecção de gases4, diagnósticos médicos, imagens térmicas5, monitoramento da poluição ambiental2, cuidados de saúde e controle de processos industriais6,7. Essas características marcantes do regime MIR atraem pesquisadores para projetar componentes/dispositivos fotônicos de silício, como acopladores8, guias de ondas5, fotodetectores9, ressonadores de anel10, moduladores11 e sensores4. Na fotônica MIR, o germânio é considerado um dos materiais mais importantes por diversas razões . Nesse contexto, Ge possui ampla faixa de transparência de até 16,7 µm13, alta densidade de portadores livres14 e grande índice de refração (n = 4)15. Assim, quando combinado com materiais de baixo índice, como Fluoreto de Cálcio (CaF2), leva a um contraste de alto índice. Em 2012, o primeiro guia de ondas MIR de germânio em silício (Ge-on-Si) foi revelado16 e, em seguida, guias de ondas com baixa perda (menos de 1 dB/cm) foram introduzidos17. Além disso, o Ge-on-CaF2 tem sido utilizado como uma plataforma eficiente para guias de onda ópticos .

Em plataformas de silício/germânio em isolantes (S/GOI), o confinamento da luz em uma pequena área poderia ser facilmente alcançado devido à alta assimetria significativa no índice de refração do núcleo (por exemplo, Si, Ge) e seu revestimento ou substrato (por exemplo , SiO2, ar). A plataforma SOI permite a construção de diversos componentes fotônicos ultracompactos e de alto desempenho empregados em PICs . No entanto, a densidade de empacotamento dos PICs ainda é baixa, o que é um obstáculo significativo no desenvolvimento de circuitos integrados híbridos multicamadas, de grande escala e de baixo custo.

Recentemente, foram relatadas novas abordagens para melhorar a integração densa de PICs. A este respeito, guias de ondas plasmônicas20, estruturas híbridas metal-dielétricas21 e estruturas baseadas em metamateriais podem ser usadas para reduzir a área ocupada pelos dispositivos22. No projeto de PICs, o efeito dos guias de onda entre si deve ser considerado. Isto se deve à sobreposição de modos entre guias de onda vizinhos, que resulta em algum acoplamento e TC entre os guias de onda. Porém, quando os modos ópticos estão fortemente confinados, a sobreposição e o TC entre os guias de onda são fracos e insignificantes. Como resultado, o CT é considerado um fator essencial dos guias de onda ópticos e da densidade de empacotamento do dispositivo. Assim, várias técnicas de redução de diafonia foram desenvolvidas nos últimos anos, como a camuflagem nanofotônica e as super-redes de guias de onda . Os resultados indicam que a maioria dos métodos de redução de TC foram obtidos em comprimentos de onda de telecomunicações, 1,3 µm e 1,55 µm. Além disso, tiras e grades de silício de comprimento de onda foram introduzidas no guia de ondas óptico para controlar a luz guiada nos PICs . Consequentemente, dispositivos compactos de guia de onda acoplados surgiram nos últimos anos27. Khavasi et al.25 adicionaram duas faixas de comprimento de onda entre dois guias de onda adjacentes, onde metamateriais totalmente dielétricos geraram um modo altamente confinado. Portanto, um aumento notável na Lc é induzido em comparação ao caso sem tiras25. O Lc se estende até duas ordens de grandeza adicionando três tiras de silício entre dois guias de onda vizinhos quando comparado ao caso sem tiras. Yu et al. alcançaram resultados numéricos no mesmo comprimento de onda e tamanho de guias de ondas . Além disso, Yang et al. melhoraram o Lc em três ordens de grandeza maiores do que as obtidas em 28, introduzindo três tiras de Si não uniformes entre os dois guias de onda . É importante notar que todos os estudos acima mencionados funcionaram na região NIR, nomeadamente em λ = 1,55 µm com base na introdução de tiras de silício ou grades entre guias de ondas SOI padrão.