Jul 19, 2023
複合ハイブリッドプラズモニック導波路に基づく超短広帯域偏光ビームスプリッター
Scientific Reports volume 6、記事番号: 19609 (2016) この記事を引用する 3044 アクセス 47 引用 1 Altmetric Metrics の詳細 私たちは、超小型広帯域偏光ビームスプリッター (PBS) を提案します。
Scientific Reports volume 6、記事番号: 19609 (2016) この記事を引用
3044 アクセス
47件の引用
1 オルトメトリック
メトリクスの詳細
我々は、複合ハイブリッドプラズモニック導波路（HPW）に基づく超小型広帯域偏光ビームスプリッター（PBS）を提案します。 提案された PBS は、追加の結合領域に依存することなく、垂直ナノスケール ギャップを持つ曲がった下部 HPW と水平ナノスケール ギャップを持つ真っ直ぐな上部 HPW をそれぞれ使用して、横電気 (TE) モードと横磁気 (TM) モードを分離します。 この設計は、PBS の長さをサブミクロンスケール (920 nm、これまでに報告されている最も短い PBS) まで大幅に短縮し、~19 dB (~18 dB) の偏光消光比 (PER) と~0.6 の挿入損失 (IL) を実現します。 400 nm の非常に広帯域にわたる TE (TM) モードの dB (~0.3 dB) (λ = 1300 nm ～ 1700 nm、第 2 および第 3 通信ウィンドウを完全にカバー)。 設計された PBS の長さは、15 dB の PER を維持しながらさらに 620 nm まで短縮でき、高密度のフォトニック集積回路を実現します。 製造公差を考慮して、設計された PBS は ±20 nm の大きな幾何学的偏差を許容し、10 nm 未満のナノスケール ギャップを除き、PER の変動を 1 dB 以内に制限します。 さらに、提案された PBS の入力および出力結合効率についても取り上げます。
光通信システムの増え続ける伝送需要を満たすために、偏波分割多重 (PDM) は、チップスケールの光集積回路 (PIC) の光信号を操作する上で極めて重要な役割を果たしています 1、2、3、4、5。 横電気 (TE) モードと横磁気 (TM) モードを分離する偏波ビーム スプリッター (PBS) は、PDM4 にとって必須のコンポーネントであり、2 つの偏波モードを独立して処理できるため、トラフィック帯域幅が 2 倍になります。 PBS を評価するために使用される多数の基準には、デバイスの寸法、偏波消光比 (PER)、挿入損失 (IL)、動作帯域幅、製造公差、構造の複雑さが含まれます。 中でも、満足のいくデバイス性能を維持しながら PBS の寸法を最小化することは、コヒーレント受信機を構築するために望ましく、次世代の超高密度 PIC を開発するために極めて重要です。 長年にわたり、多くの種類の 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 は、さまざまな設計を利用し、断熱モード展開 (AME) デバイス 6、7、方向性結合器 (DC) 8、9、10 を含むことが報告されています。 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20、マルチモード干渉 (MMI) デバイス 21,22,23,24,25、マッハツェンダー干渉計 (MZI)26,27,28、フォトニック結晶(PhC)29、30、31 および格子 31、32、33 構造。 ほとんどの PBS6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、28、32、33、34 はシリコンを採用しています。オンインシュレータ (SOI) プラットフォームの高屈折率コントラスト特性を利用して、デバイス寸法を効果的に縮小します。
満足のいく PER を達成するには、AME ベースの PBS6、7 は形状がゆっくりと進化するため、非常に長く (>200 μm) する必要がありますが、製造公差と広帯域動作要件はそれほど厳しくありません。 DC ベースの PBS8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 のデバイス長は、妥当な PER (10 ～ 20 dB) で数マイクロメートルから数十マイクロメートルまで縮小できます。 ）、正確に調整された結合で位相整合モードを利用する必要があるため、動作帯域幅は AME ベースの PBS の帯域幅よりも狭くなります。 MMI ベースの PBS21、22、23、24、25 は、AME ベースの PBS よりも製造プロセスが単純であり、製造公差が大きいです。 ただし、従来の MMI デバイス 35、36 の寸法は、TE モードと TM モードの自己結像長 37 の公倍数によって決定されるため、デバイスが非常に長くなります (>1000 μm)。 MMI ベースの PBS の長さを短縮するために、2 モード干渉 21 (約 8.8 μm)、2 × 2 2 モード干渉 22 (MMI セクションの長さ以外は約 0.94 μm) など、いくつかの革新的な設計が最近報告されています。 PBS 全体、入力/出力部分の長さも含める必要があります)、金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) 埋め込み 22 (~44 μm)、ハイブリッド プラズモニック導波路 (HPW) 24 (~2.5 μm) およびカスケード 25 (<950 μm) )MMI。 現在までに報告されている最短の PBS は、ハイブリッド プラズモニック導波路 (HPW)24 を利用した MMI で得られ、80 nm の帯域幅で PER >10 dB のサブミクロン長を達成しました。 MZI ベースの PBS26、27、28 は、高複屈折材料を必要とすることに加えて、デバイスの長さが長すぎます (300 ～ 3000 μm)。 数十マイクロメートルのデバイス長を実現できる他のオプションは、PhC ベースの PBS29、30、31 および回折格子ベースの PBS32、33、34 を使用するデバイスです。 前者の欠点は、製造が複雑であることと、散乱による損失が比較的大きいことです。 後者は、同様に複雑な製造プロセスを必要とすることに加えて、PIC に統合することも困難です。
20 dB). However, the device lengths were longer than those13,14 of asymmetrical DC structures. The shortest three-dimensional DC-based PBS with an HPW structure19 (~2.5 μm) adopted a copper nanorod array placed between two silicon waveguides. Using the localized surface plasmon resonance between the silicon waveguides, the TE mode was effectively coupled to the cross-channel, significantly reducing the device length and yielding a PER of ~15 dB./p> 18 dB and IL < 0.6 dB at R = 800 nm), the dimensions of the proposed PBS must be about 920 nm × 920 nm × 455 nm (the smallest PBS yet designed) and thus, the proposed design has great potential to realize high-density PICs with good performance. Another pivotal characteristic for assessing a PBS is its operating bandwidth with satisfactory PER and IL. Considering the used material dispersions48,49, Fig. 5(c,d) show PER and IL versus the operating wavelength λ between 1,300 nm and 1,700 nm. The results show that the proposed PBS can be operated over a broad bandwidth of 400 nm with PER > 17 dB and IL < 0.6 dB for both modes. With operation over a narrower bandwidth of 200 nm (from 1400 nm to 1600 nm), the PERs can be improved to greater than 18 dB. From Fig. 5(c,d), we observe that the PERs and ILs of the designed PBS are wavelength-insensitive, because of the lack of phase-matched conditions with precise coupling that are required in DC- and MMI-based PBSs. Finally, the fabrication tolerance was also investigated to identify the geometric parameters that significantly affect the performance of the present design. The degradations of the PERs and ILs with variations in w1, w3, h1, h2 and h4 were all within 1 dB and 0.2 dB, respectively, even when these parameters were varied by up to ±20 nm. This stability results from the majority of the energies of the hybrid SPP modes being concentrated in the thin SiO2 layers (i.e., those with the geometric parameters of h3 and w2). Consequently, we first studied the PERs and ILs while varying h3 (Δh3) and the results are shown in Fig. 6(a,b). The considered values of Δh3 range from −2 nm to 5 nm, because the originally designed thickness h3 was only 5 nm. For the TM mode, the values of PERTM and ILTM were moderately influenced by Δh3. It can be understood that a large portion of the energy resides in the upper Si region, in addition to that concentrated in the thin SiO2 gap. In contrast, as expected, PERTE and ILTE are approximately constant as h3 varies. The other critical geometrical parameter is the width (w2) of the vertical SiO2 regions supporting the TE mode. The calculated PERs and ILs are shown in Fig. 6(c,d), respectively. Clearly, PERTM and ILTM are slightly influenced by Δw2, as expected. In contrast to PERTM, PERTE is significantly influenced by Δw2, as shown in Fig. 6(c). This difference results from greater values of w2 causing looser energy confinement in the TE mode. Therefore, more energy is coupled to port 2 because of larger bending radiation. This causes PERTE to be reduced significantly. In contrast, shrinking the width of SiO2 increases PERTE due to better energy confinement. From the above discussions of the fabrication tolerances, the width w2 results in the most significant influence on PERTE. As a result, we conclude that the ability to precisely control the critical parameter w2 determines the PERTE performance of the proposed PBS. Fortunately, the other geometrical parameters besides w2 have more moderate influences on the PERs and ILs. The results confirm the high fabrication tolerances of the proposed PBS, except for with respect to Δw2. For further improving the PERs of TE and TM simultaneously to better values larger than 20 dB, we can decrease the thicknesses of SiO2 layers between Si and Ag. For instance, the PERs of the TE mode are 21.0 dB and 22.1 dB at the conditions of w2 = 4 nm and 3 nm, respectively, as shown in Fig. 6 (c). As for the TM mode, the PER is 20.2 dB at the condition of h3 = 2 nm, which is not involved in Fig. 6(a). Certainly, the fabrication precision will be severer. However, if only the higher PERTE is concerned, increasing the radius of curvature of the bent waveguide to 1100 nm can reach 20.85 dB./p>15 dB. These results indicate that the proposed PBS has the potential to realize high-density PICs with satisfactory performances./p>
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