In strijd met de conventionele wijsheid hebben wetenschappers een nieuw koppelingsmechanisme ontdekt dat gebruik maakt van lekkagemodi en dat voorheen ongeschikt werd geacht voor integratie met hoge dichtheid van fotonische circuits. Deze verbazingwekkende ontdekking maakt de weg vrij voor fotonische integratie met hoge dichtheid, waardoor het potentieel en de schaalbaarheid van fotonische chips veranderen op gebieden als optisch computergebruik, kwantumcommunicatie, lichtdetectie en bereik (LiDAR), optische metrologie en biochemische detectie.
In een recent nummer van het tijdschrift Light Science & Application hebben Sangsik Kim, universitair hoofddocent bij de afdeling Elektrotechniek van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), en zijn studenten aan de Texas Tech University aangetoond dat anisotrope lekkende golven nul overspraak kunnen bereiken tussen dicht bij elkaar gelegen identieke golfgeleiders met behulp van subwavelength grating (SWG) metamaterialen. Deze contra-intuïtieve ontdekking vergroot de koppelingslengte van transversale magnetische (TM) modi aanzienlijk, wat een uitdaging was vanwege hun lage beperking.
Dit onderzoek bouwt voort op hun eerdere werk over het gebruik van SWG-metamaterialen om optische overspraak te verminderen, inclusief het beheersen van de huiddiepte van verdampingsgolven en speciale koppeling in anisotrope geleide golfmodi. Onlangs heeft SWG aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van fotonica, waardoor een verscheidenheid aan hoogwaardige PIC-componenten mogelijk is geworden. De integratiedichtheid van de TM-modus staat echter nog steeds voor uitdagingen, en de overspraak is ongeveer 100 keer groter dan die van de laterale elektrische (TE) modus, wat chipintegratie met hoge dichtheid belemmert.
"Onze onderzoeksgroep heeft SWG's onderzocht op dichte fotonische integratie en heeft aanzienlijke verbeteringen bereikt. Eerdere methoden waren echter beperkt tot TE-polarisatie. In fotonische chips is er nog een orthogonale polarisatie TM, die de chipcapaciteit kan verdubbelen en soms populairder is dan TE, zoals bij gradiëntvelddetectie." Kim legde uit: "TM is moeilijker te integreren dan TE, omdat de aspectverhouding van de golfgeleider over het algemeen lager en minder beperkend is."
Aanvankelijk dacht het team dat het onmogelijk zou zijn om overspraak te verminderen met behulp van SWG's, omdat ze verwachtten dat lekkende modi de koppeling tussen golfgeleiders zouden verbeteren. Ze concentreerden zich echter op het potentieel van anisotrope verstoringen met lekkagemodi en gingen ervan uit dat kruis-annulering kon worden bereikt.
Door een gekoppelde-modusanalyse uit te voeren van de modale eigenschappen van lekkende SWG-modi, ontdekten ze unieke anisotrope verstoringen met vergelijkbare lekmodi, waardoor overspraak tussen dicht bij elkaar gelegen identieke SWG-golfgeleiders mogelijk was. Met behulp van Floquet-grenssimulatie ontwierpen ze een haalbare SWG-golfgeleider op het standaard silicium-op-isolator (SOI) -platform in de industrie. Vergeleken met stripgolfgeleiders is het overspraakonderdrukkingseffect aanzienlijk en wordt de koppelingslengte met meer dan twee ordes van grootte vergroot.
Deze doorbraak vermindert ook aanzienlijk de geluidsniveaus binnen PIC's, met mogelijke implicaties voor kwantumcommunicatie en computergebruik, optische metrologie en biochemische detectie. De onderzoekers benadrukten verder de brede implicaties van hun werk en merkten op dat dit nieuwe koppelingsmechanisme zou kunnen worden uitgebreid naar andere geïntegreerde fotonicaplatforms en golflengtebereiken, waaronder zichtbaar, midden-infrarood en terahertz buiten de telecommunicatiebanden.
Dit verbazingwekkende koppelingsmechanisme breidt het potentieel van dichte fotonische integratie uit, doorbreekt conventionele wijsheid en bevordert het veld. Naarmate het onderzoek voortduurt, zal de fotonica-industrie waarschijnlijk evolueren naar dichtere, ruisarme en efficiëntere geïntegreerde circuittechnologieën.