超均匀无序波导和近红外硅光子学器件

近日，来自美国和英国的一个联合研究小组的研究人员们推出了超均匀无序平台实现近红外(NIR)光子设备来创建、探测和操纵光。 他们在一个绝缘体上的硅(SOI)平台上建造了这个装置，以演示在一个不受晶体对称性约束的灵活的硅集成电路结构的功能。
      科学家们报告了被动器件元件的结果，包括波导和谐振器与传统的绝缘体上硅条形波导和垂直耦合器无缝集成。与在肋状和条形波导上制作的硅光子器件相比，超单无序平台改善了器件的致密性，提高了能量效率和温度稳定性。 世界范围内在硅光子学领域的成绩导致了可以越来越低的成本设计光学数据通信，以满足数据中心快速增长的需求。
       云计算和随需娱乐的爆炸式增长对数据传输、处理和存储的成本和能源需求提出了越来越大的挑战。光学互连可以取代传统的基于铜的解决方案，提供稳定增长的潜力，以最小化延迟和功耗，同时最大化设备的带宽和可靠性。硅光子学还利用大规模互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺，以低成本生产高性能光收发器。这些特性使得光收发器(用于发送和接收数据的光纤技术)在更短距离上的应用越来越引人注目。
       三十多年前，物理学家Richard Soref发现硅是一种很有前途的光子集成材料。导致了今天日益复杂的光子集成电路(PICs)的稳定发展和快速生产。研究人员可以在一块芯片上集成大量大规模并行、紧凑节能的光学组件，用于从深度学习到人工智能和物联网的云计算。与商业硅光子系统的有限范围相比，光子晶体(PhC)结构保证了更小的器件尺寸，尽管它们被沿光子晶体轴的波导要求施加的布局约束所限制。
       迄今为止，有效导光的光子带隙(PBG)结构仅限于光子晶体平台。现在，PBG结构的新类型包括光子准晶体、超均匀无序固体(HUDs)和局部自均匀结构。 在本工作中，研究人员们介绍了一种HUD (超均匀固体)平台作为一种局部工程光子系统和用于光子集成电路的通用架构。他们展示了HUD平台的设计灵活性和内置的无缝集成到预先设计的光学腔和波导的能力。绝缘体上硅材料(SOI)在光通信波长的许多应用中具有巨大的潜力。与标准的微环形谐振器(MRRs)或马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)相比，HUD谐振器表现出更少的温度依赖的谐振波长位移(TDRWS)和增加的紧凑性。结果表明，该方法在器件改进和降低功耗方面具有良好的应用前景。
       该团队首先获得了使用电子束光刻技术在220纳米高的SOI晶圆上制作的HUD网络的扫描电子显微图(SEM)图像。然后，通过超均匀网络(不同壁宽的平均间距为500 nm)对透射电偏振光的透射光谱进行时域有限差分仿真。研究人员们通过修改HUDs的壁宽来调整这些带隙的中心波长，宽的带隙使它们能够覆盖1.50到1.58微米(µm)的波长范围，使网络非常适合于光子电路的设计。 科学家们设计和开发了一系列的直列缺陷波导，用填充的硅沿着期望的路径替换了一排多边形的空气电池。制作的SOI HUD波导的SEM图像允许多种优化方法来增加通过波导通道的传输。为了最小化后向散射损耗，他们对波导结构进行了一次优化，大大降低了初始的高后向散射损耗。
       研究小组通过HUD波导观察了优化前后的透射谱，并在没有波导通道的情况下进行了传输，实验验证了在1550 nm左右时的17分贝的改善。 HUD平台支持了一套丰富的新型谐振器设计，包括在光子晶体结构中不具有对称性的谐振腔。HUD平台对于新型空腔和波导设计也具有通用性和灵活性，允许在最先进的设计中无缝集成，同时保持非常高的质量Q因子(光通道的信号质量)。该方法的优点是，任何设备都可以在同一平台上以最小的消耗集成到自由形式的HUDs包层，保证研究人员为各种组件安排适当的绝缘。基于模拟，他们发现HUD设备占用空间很小，但Q值仍然很高。
       研究人员们下一步调研了HUDS结构中具有空中桥梁共振腔的无线电遥控光调制器。该团队的主要目的是展示HUD平台的通用性，以集成各种光学组件，同时保持其最先进的性能。他们记录了电子分布密度和局部折射率作为偏置电压的函数。研究小组通过施加小电压轻松地调整了电子分布密度和局部折射率。然后，他们将正向偏压(朝一个方向的大电流)应用到装置上，以演示透射光谱向较短波长的偏移。结果表明，等离子体的色散效应降低了硅的折射率。科学家们预测0.48 V是在10dB开/关比下运行调制器的阈值电压，并观察到谐振腔体积小和Q值高，功率运行很低。 通过这种方式研究人员们展示了HUD (超均匀无序固体)集成设备探索HUD功能作为一个灵活、紧凑光子集成电路的平台的实验和模拟结果。
       他们改进了器件的制作过程，以减少传播损耗，并使用更宽的波导和处理后制作优化了HUDs和带状波导间的传输。科学家们使用HUDs来促进预先定义好的PhC(光子晶体)谐振腔中的光约束，并提高它们的温度稳定性。 新的无序PBG(光子带隙)材料的固有各向同性(所有方向的均匀性)通过提供紧凑性、低功耗和改进的温度稳定性展示了光子器件设计的潜力。该装置还提供了前所未有的设计自由，没有晶体结构或周期性的限制。与周期性材料相比，无序材料特性使它们对制造误差不那么敏感。基于HUD的谐振器件在低损耗的红外区域具有清晰的引导和定位能力。
       HUD设备为设计更复杂的系统提供了新的基础，这些系统以半导体材料平台上的无源和有源器件为特色，为提高数据速率和数据存储提供了新的机会。

图：从左到右生成超均匀无序壁网结构(a)的协议:三角形晶格、其傅里叶谱和产生蜂窝网络的对偶镶嵌协议。(b)从左到右:隐秘的超均匀点模式、它的傅里叶光谱和将它转换成三面协调无序网络的对偶镶嵌协议