Illustration illustrant la propagation de la lumière sans diaphonie dans le réseau de guides d’ondes du semi-conducteur optique développé à base de métamatériau. Crédit : Groupe de métaphotonique intégré KAIST
Défiant les idées reçues, les scientifiques ont découvert un nouveau mécanisme de couplage impliquant un mode de fuite, auparavant considéré comme inadapté à l’intégration haute densité dans les circuits photoniques.
Cette découverte surprenante ouvre la voie à une intégration photonique dense, transformant le potentiel et l’évolutivité des puces photoniques dans des domaines tels que la communication quantique par informatique optique, la détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR), la métrologie optique et la détection biochimique.
Dans un récent Science de la lumière et applications publication, Sangsik Kim, professeur agrégé de génie électrique à l’Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST), et ses étudiants de la Texas Tech University ont démontré qu’une onde de fuite anisotrope peut atteindre une diaphonie nulle entre des guides d’ondes identiques étroitement espacés en utilisant un réseau sub-longueur d’onde (SWG). métamatériaux. Cette découverte contre-intuitive augmente considérablement la longueur de couplage du mode magnétique transversal (TM), qui a historiquement posé des défis en raison de son faible confinement.
Cette recherche s’appuie sur leurs études antérieures sur les métamatériaux SWG pour réduire la diaphonie optique, y compris le contrôle de la profondeur de peau des ondes évanescentes et un couplage exceptionnel en mode guidé anisotrope. Les SWG ont récemment réalisé des progrès significatifs dans le domaine de la photonique, permettant divers composants PIC hautes performances. Cependant, des problèmes de densité d’intégration subsistent pour le mode TM, qui présente une diaphonie environ 100 fois plus importante que le mode électrique transversal (TE), ce qui entrave l’intégration de puces haute densité.
« Notre groupe a exploré les SWG pour une intégration photonique dense, réalisant des améliorations significatives. Cependant, les approches précédentes se limitaient uniquement à la polarisation TE. Dans une puce photonique, il existe une autre polarisation orthogonale TM, qui peut doubler la capacité de la puce et qui est parfois plus souhaitée que la TE, comme dans la détection de champ évanescent. Le TM est plus difficile à intégrer de manière dense que le TE car il est généralement moins confiné avec un faible rapport hauteur/largeur du guide d’ondes », a expliqué Kim.
Initialement, l’équipe pensait qu’il était impossible de réduire la diaphonie à l’aide des SWG, car elle s’attendait à ce que le mode à fuite améliore le couplage entre les guides d’ondes. Cependant, ils se sont concentrés sur les potentiels de perturbation anisotrope avec le mode de fuite, émettant l’hypothèse qu’une annulation croisée pourrait être réalisable.
En appliquant une analyse en mode couplé aux propriétés modales des modes SWG à fuite, ils ont découvert une perturbation anisotrope unique avec un mode de type fuite, entraînant une diaphonie nulle entre des guides d’ondes SWG identiques et étroitement espacés. En utilisant les simulations des limites de Floquet, ils ont conçu des guides d’ondes SWG pratiquement implémentables sur une plate-forme standard de silicium sur isolant (SOI) facilement disponible dans l’industrie, démontrant une suppression remarquable de la diaphonie et des longueurs de couplage accrues de plus de deux ordres de grandeur par rapport aux guides d’ondes en bande.
Cette avancée réduit également considérablement les niveaux de bruit au sein des PIC, avec des impacts potentiels sur la communication et l’informatique quantiques, la métrologie optique et la détection biochimique. Les chercheurs ont en outre souligné les implications plus larges de leurs travaux, notant que ce nouveau mécanisme de couplage pourrait être étendu à d’autres plates-formes photoniques intégrées et à d’autres régimes de longueurs d’onde dans le visible, l’infrarouge moyen et le térahertz au-delà de la bande de télécommunication.
Ce mécanisme de couplage surprenant a élargi le potentiel d’intégration photonique dense, défiant les idées reçues et repoussant les limites du domaine. À mesure que la recherche se poursuit, l’industrie de la photonique connaîtra probablement une évolution vers des technologies PIC plus denses, moins bruyantes et plus efficaces.
