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May 28, 2023

Réduction efficace de la diaphonie MIR basée sur le silicium

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 7233 (2023) Citer cet article 448 Accès aux détails des métriques La réduction de la diaphonie (CT) entre composants photoniques contigus reste un défi de taille

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7233 (2023) Citer cet article

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La réduction de la diaphonie (CT) entre des composants photoniques contigus reste un défi majeur dans la fabrication de circuits intégrés photoniques (PIC) à haute densité de conditionnement. Peu de techniques permettant d’atteindre cet objectif ont été proposées ces dernières années, mais toutes dans la région proche IR. Dans cet article, nous rapportons une conception permettant de réaliser une réduction très efficace du CT dans le régime MIR, pour la première fois au meilleur de nos connaissances. La structure rapportée est basée sur la plate-forme silicium sur fluorure de calcium (SOCF) avec des réseaux de bandes Ge/Si uniformes. L'utilisation de bandes de Ge montre une meilleure réduction du CT et une longueur de couplage (Lc) plus longue que les dispositifs conventionnels à base de Si sur une large bande passante dans la région MIR. L'effet de l'ajout d'un nombre différent de bandes de Ge et de Si de dimensions différentes entre deux guides d'ondes de Si adjacents sur le Lc et donc sur le CT est analysé en utilisant à la fois la méthode des éléments finis vectorielle complète et la méthode du domaine temporel des différences finies 3D. Une augmentation de Lc de 4 ordres de grandeur et 6,5 fois est obtenue en utilisant respectivement des bandes de Ge et de Si, par rapport aux guides d'ondes en Si sans bandes. Par conséquent, une suppression de diaphonie de - 35 dB et - 10 dB pour les bandes de Ge et de Si, respectivement, est indiquée. La structure proposée est bénéfique pour les dispositifs nanophotoniques à haute densité de compactage dans le régime MIR, tels que les commutateurs, les modulateurs, les séparateurs et les (dé)multiplexeurs en longueur d'onde, qui sont importants pour les circuits intégrés, les spectromètres et les capteurs de communication MIR.

Au cours des dernières décennies, avec le développement rapide de la technologie nanophotonique, la photonique sur silicium a suscité beaucoup d'intérêt, grâce à sa compatibilité avec la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS)1. La région de longueur d'onde MIR (allant de 2 à 10 µm) offre une variété d'applications pratiques. C’est donc devenu un sujet de recherche brûlant pour la science et l’industrie. La gamme spectrale MIR, également appelée spectre « empreinte moléculaire », contient les pics significatifs de rotation, de vibration et d'absorption pour la plupart des molécules avec une intensité spectrale des milliers de fois supérieure à celle correspondant à la région proche IR2. Par conséquent, le régime MIR contrôle une variété d’applications, notamment la détection biologique et chimique3, la détection de gaz4, les diagnostics médicaux, l’imagerie thermique5, la surveillance de la pollution environnementale2, les soins de santé et le contrôle des processus industriels6,7. Ces caractéristiques exceptionnelles du régime MIR incitent les chercheurs à concevoir des composants/dispositifs photoniques sur silicium tels que des coupleurs8, des guides d'ondes5, des photodétecteurs9, des résonateurs en anneau10, des modulateurs11 et des capteurs4. En photonique MIR, le germanium est considéré comme l’un des matériaux les plus importants pour plusieurs raisons12. Dans ce contexte, Ge présente une large plage de transparence allant jusqu'à 16,7 µm13, une densité de porteurs libres élevée14 et un indice de réfraction élevé (n = 4)15. Ainsi, lorsqu'il est combiné avec un matériau à faible indice tel que le fluorure de calcium (CaF2), cela conduit à un contraste d'indice élevé. En 2012, le premier guide d'onde MIR Germanium sur silicium (Ge-on-Si) a été révélé16, puis des guides d'ondes à faible perte (inférieures à 1 dB/cm) ont été introduits17. En outre, Ge-on-CaF2 a été utilisé comme plate-forme efficace pour les guides d'ondes optiques .

Dans les plates-formes silicium/germanium sur isolant (S/GOI), le confinement de la lumière dans une petite zone pourrait être facilement obtenu en raison de la forte asymétrie significative de l'indice de réfraction du noyau (par exemple, Si, Ge) et de sa gaine ou substrat (par exemple , SiO2, air). La plateforme SOI permet la construction de plusieurs composants photoniques ultra-compacts et hautes performances utilisés dans les PIC19. Cependant, la densité de conditionnement des PIC est encore faible, ce qui constitue un obstacle important au développement de circuits intégrés hybrides multicouches à grande échelle, à faible coût.

Récemment, de nouvelles approches ont été signalées pour améliorer l’intégration dense des PIC. À cet égard, des guides d’ondes plasmoniques20, des structures hybrides métal-diélectrique21 et des structures à base de métamatériaux peuvent être utilisées pour réduire l’empreinte des dispositifs22. Dans la conception des PIC, l’effet des guides d’ondes les uns sur les autres doit être pris en compte. Cela est dû au chevauchement de modes entre les guides d'ondes voisins, ce qui entraîne un certain couplage et un CT entre les guides d'ondes. Cependant, lorsque les modes optiques sont fortement confinés, le chevauchement et le CT entre guides d'ondes sont faibles et insignifiants. En conséquence, la tomodensitométrie est considérée comme un facteur essentiel des guides d’ondes optiques et de la densité de conditionnement des dispositifs. Par conséquent, diverses techniques de réduction de la diaphonie ont été développées ces dernières années, telles que le masquage nanophotonique23 et les super-réseaux de guides d’ondes24. Les résultats indiquent que la majorité des méthodes de réduction CT ont été obtenues aux longueurs d'onde de télécommunication, 1,3 µm et 1,55 µm. En outre, des bandes et des réseaux de silicium sub-longueur d'onde ont été introduits dans le guide d'onde optique pour contrôler la lumière guidée dans les PIC25,26. Par conséquent, des dispositifs compacts à guides d’ondes couplés ont vu le jour ces dernières années27. Khavasi et al.25 ont ajouté deux bandes de sous-longueur d'onde entre deux guides d'ondes adjacents, où des métamatériaux entièrement diélectriques généraient un mode hautement confiné. Par conséquent, une augmentation notable de la Lc est induite par rapport au cas sans bandelettes25. La Lc s'étend jusqu'à deux ordres de grandeur en ajoutant trois bandes de silicium entre deux guides d'ondes voisins par rapport au cas sans bandes. Yu et coll. ont obtenu des résultats numériques à la même longueur d'onde et à la même taille de guides d'ondes28. De plus, Yang et al. ont amélioré la Lc de trois ordres de grandeur supérieurs à celui obtenu en 28 en introduisant trois bandes de Si non uniformes entre les deux guides d'ondes 29. Il convient de noter que toutes les études mentionnées ci-dessus ont fonctionné dans la région NIR, à savoir à λ = 1,55 µm, sur la base de l'introduction de bandes ou de réseaux de silicium entre des guides d'ondes SOI standard.