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Divisore di fascio di polarizzazione a banda larga ultracorto basato su una guida d'onda plasmonica ibrida combinata

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Divisore di fascio di polarizzazione a banda larga ultracorto basato su una guida d'onda plasmonica ibrida combinata

Scientific Reports volume 6, Numero articolo: 19609 (2016) Cita questo articolo 3044 Accessi 47 Citazioni 1 Dettagli metriche Altmetriche Proponiamo un divisore di fascio di polarizzazione a banda larga ultracompatto (PBS)

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 19609 (2016) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Proponiamo un divisore di fascio di polarizzazione a banda larga ultracompatto (PBS) basato su una guida d'onda plasmonica ibrida combinata (HPW). Il PBS proposto separa le modalità elettrica trasversale (TE) e magnetica trasversale (TM) utilizzando rispettivamente un HPW inferiore piegato con gap verticali su scala nanometrica e un HPW superiore dritto con un gap orizzontale su scala nanometrica, senza fare affidamento su una regione di accoppiamento aggiuntiva. Questo design riduce considerevolmente la lunghezza del PBS alla scala submicronica (920 nm, il PBS più corto riportato fino ad oggi) offrendo allo stesso tempo rapporti di estinzione della polarizzazione (PER) di ~ 19 dB (~ 18 dB) e perdite di inserzione (IL) di ~ 0,6 dB (~0,3 dB) per la modalità TE (TM) su una banda estremamente ampia di 400 nm (da λ = 1300 nm a 1700 nm, coprendo interamente la seconda e la terza finestra di telecomunicazione). La lunghezza del PBS progettato può essere ulteriormente ridotta a 620 nm pur offrendo PER di 15 dB, realizzando un circuito integrato densamente fotonico. Considerando la tolleranza di fabbricazione, il PBS progettato consente ampie deviazioni geometriche di ±20 nm limitando le variazioni PER entro 1 dB, ad eccezione di quelle negli spazi su scala nanometrica inferiori a 10 nm. Inoltre, affrontiamo anche le efficienze di accoppiamento di input e output del PBS proposto.

Per soddisfare le crescenti esigenze di trasmissione dei sistemi di comunicazione ottica, il multiplexing a divisione di polarizzazione (PDM) svolge un ruolo fondamentale nella manipolazione dei segnali ottici per i circuiti integrati fotonici (PIC) su scala chip1,2,3,4,5. I divisori del fascio di polarizzazione (PBS), che separano le modalità elettrica trasversale (TE) e magnetica trasversale (TM), sono componenti essenziali per PDM4 e consentono l'elaborazione indipendente delle due modalità di polarizzazione, raddoppiando la larghezza di banda del traffico. Numerosi criteri utilizzati per valutare i PBS includono dimensioni del dispositivo, rapporti di estinzione della polarizzazione (PER), perdite di inserzione (IL), larghezze di banda operative, tolleranze di fabbricazione e complessità della struttura. Tra questi, ridurre al minimo le dimensioni del PBS pur mantenendo prestazioni soddisfacenti del dispositivo è auspicabile per costruire ricevitori coerenti ed è di vitale importanza per lo sviluppo di PIC ultradensi di prossima generazione. Nel corso degli anni, molti tipi di 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 sono stati segnalati che hanno utilizzato vari progetti e hanno incluso dispositivi di evoluzione della modalità adiabatica (AME)6,7, accoppiatori direzionali (DC)8,9,10, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, dispositivi di interferenza multimodale (MMI)21,22,23,24,25, interferometri Mach–Zehnder (MZI)26,27,28, cristalli fotonici (PhC)29,30,31 e strutture reticolari31,32,33. La maggior parte dei PBS6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,28,32,33,34 hanno adottato sistemi di silicio piattaforme su isolante (SOI) per ridurre efficacemente le dimensioni del dispositivo utilizzando le proprietà di contrasto ad alto indice di queste piattaforme.

Per ottenere PER soddisfacenti, i PBS6,7 basati su AME devono essere molto lunghi (>200 μm) a causa delle loro geometrie in lenta evoluzione, ma hanno una tolleranza di fabbricazione e requisiti operativi a banda larga meno rigorosi. Sebbene le lunghezze dei dispositivi PBS basati su DC8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 possano essere ridotte da diverse a decine di micrometri con PER ragionevoli (10–20 dB ), le larghezze di banda operative sono più strette di quelle dei PBS basati su AME a causa della necessità di utilizzare modalità di adattamento di fase con un accoppiamento sintonizzato con precisione. I PBS basati su MMI21,22,23,24,25 hanno un processo di fabbricazione più semplice e una tolleranza di fabbricazione maggiore rispetto a quelli dei PBS basati su AME; tuttavia, le dimensioni dei dispositivi MMI convenzionali35,36 sono determinate dal multiplo comune delle lunghezze di auto-immagine37 delle modalità TE e TM, risultando in dispositivi molto lunghi (>1000 μm). Per ridurre la lunghezza dei PBS basati su MMI, sono stati recentemente segnalati alcuni progetti innovativi, tra cui l'interferenza a due modalità21 (~8,8 μm), l'interferenza a due modalità 2 × 222 (~0,94 μm solo per la lunghezza della sezione MMI diversa da quella intero PBS, le lunghezze per la parte di ingresso/uscita dovrebbero essere incluse), metallo-isolante-metallo (MIM)-incorporato22 (~44 μm), guida d'onda plasmonica ibrida (HPW)24 (~2,5 μm) e cascata25 (<950 μm ) MMI. Ad oggi, il PBS più corto riportato è stato ottenuto per un MMI che utilizzava una guida d'onda plasmonica ibrida (HPW)24 e raggiungeva una lunghezza inferiore al micron con un PER >10 dB su una larghezza di banda di 80 nm. I PBS basati su MZI26,27,28, oltre a richiedere materiali altamente birifrangenti, avevano lunghezze del dispositivo troppo lunghe (300–3000 μm). Altre opzioni che possono produrre dispositivi di lunghezza di decine di micrometri sono i dispositivi che utilizzano PBS basati su PhC29,30,31 e PBS basati su reticolo32,33,34. Gli svantaggi del primo sono la complessità di fabbricazione e la perdita relativamente elevata dovuta alla dispersione; questi ultimi, oltre ad avere un processo di fabbricazione altrettanto complicato, sono anche difficili da integrare nei PIC.

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>