Физики спроектировали сверхкомпактный волновод для будущих фотонных чипов

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами теоретически разработали новый тип волновода для нанофотоники. V-образный канал в слое оксихлорида молибдена (MoOCl₂) способен проводить свет на телекоммуникационной длине волны, сохраняя при этом глубоко субволновые размеры. Такая конструкция может стать основой для создания более компактных и эффективных фотонных интегральных систем. Статья опубликована в журнале Photonics. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 24-79-00308).

Миниатюризация фотонных интегральных схем остается одной из ключевых задач современной оптической инженерии. Однако при попытке уменьшить размеры таких устройств физики сталкиваются с дифракционным пределом — фундаментальным ограничением, не позволяющим сжать свет в область, значительно меньшую его длины волны. Классические диэлектрические волноводы не способны удерживать свет в достаточно малом объеме, а плазмонные структуры на основе золота позволяют добиться сильной локализации, но сопровождаются значительными потерями.

«Наша цель — найти материал и геометрию, которые позволят совместить сильную локализацию поля, как в электронике, с приемлемой длиной распространения сигнала в телекоммуникационном диапазоне», — рассказал Андрей Вишневый, заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Для создания компактного фотонного чипа недостаточно просто провести свет по узкому каналу. Необходимо одновременно обеспечить сильную локализацию излучения в области, намного меньшей длины волны, достаточную дальность распространения сигнала, возможность изгибать и разветвлять волноводы, а также создавать на их основе функциональные элементы — например, делители, модуляторы и интерферометры — с технологически реалистичными размерами.

Физики теоретически проверили, можно ли совместить эти требования с помощью V-образных каналов, сформированных в тонком слое вандерваальсового материала — оксихлорида молибдена (MoOCl₂). Исследователи выбрали его благодаря выраженной анизотропии оптических свойств: в одном направлении материал ведет себя как металл, а в другом — как диэлектрик. Благодаря этому в нем могут распространяться гиперболические плазмон-поляритоны — гибридные состояния света и вещества, которые позволяют локализовать электромагнитное поле в масштабе меньше длины волны. В некоторых режимах такая локализация может быть эффективнее, чем у плазмон-поляритонов в благородных металлах. Кроме того, MoOCl₂ обладает подходящим для фотонных и телекоммуникационных технологий рабочим диапазоном, охватывающим видимую и ближнюю инфракрасную области.

Ученые построили численную модель V-образного волновода в тонком слое MoOCl₂. С ее помощью они проверили, способен ли такой канал удерживать и направлять световой сигнал, оценили дальность его распространения и определили, насколько сильно можно отклонять волновод от основного направления распространения света в кристалле. На основе полученных результатов авторы спроектировали модель интерферометра Маха—Цендера. В таком устройстве световой сигнал разделяется на два луча, которые распространяются по разным каналам, а затем снова объединяются. Если волны приходят на выход синфазно, сигнал усиливается, а при противофазном сложении — ослабляется. Благодаря этому интерферометр может служить основой для оптических переключателей, модуляторов и высокочувствительных датчиков. Затем исследователи сравнили размеры новой конструкции с параметрами традиционных плазмонных волноводов на золоте.

«Мы выбрали V-образную геометрию по двум причинам. Первая — электродинамическая: она обеспечивает локализацию электромагнитного поля внутри канавки за счет „стягивания“ моды в узкую щель. Это уменьшает влияние дефектов на боковых стенках, в отличие от полосковых волноводов, где края могут значительно рассеивать сигнал. Вторая причина — технологическая. Формирование канавки, например с помощью ионного травления, может быть менее разрушительным для слоистого вандерваальсового материала, чем создание полоски с двумя вертикальными стенками. Края канавки имеют более плавный профиль и поэтому потенциально меньше рассеивают свет», — пояснил Кирилл Воронин, аспирант МФТИ.

Расчеты показали, что V-образный волновод в MoOCl₂ способен направлять свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нм, сохраняя сигнал на расстоянии около 13,7 мкм. При этом характерный поперечный размер канала составляет всего около 30 нм, то есть структура остается глубоко субволновой. По сравнению с классической плазмонной конструкцией на основе золота ширина нового устройства уменьшилась примерно в 10 раз, а вертикальный размер — примерно в 25 раз.

У предложенного волновода есть и ограничения. Распространение моды возможно только при небольшом отклонении от предпочтительного направления в кристалле — примерно до 10°. Это ограничивает геометрию будущих схем: резко поворачивать такие волноводы нельзя, поэтому изгибы должны быть плавными. Кроме того, в видимом диапазоне длина затухания оказывается небольшой. Поэтому наиболее перспективным для предложенной конструкции является телекоммуникационный диапазон 1260–1625 нм, в котором потери остаются приемлемыми.

На основе таких волноводов можно создавать сверхминиатюрные интерферометры Маха—Цендера для модуляции сигналов, оптические переключатели и датчики, а также делители мощности с углом разветвления до 10°. Еще одно направление — резонаторы и другие элементы фотонных интегральных схем нового поколения, предназначенные для телекоммуникаций, оптической обработки сигналов и создания гибридных кремний-вандерваальсовых чипов. Сильная локализация поля может быть полезна и для ультракомпактных био- и химических сенсоров: в этом случае устройство становится чувствительным к изменениям показателя преломления вещества в непосредственной близости от поверхности канавки.

«Далее мы планируем изготовить прототип методами нанолитографии и исследовать его оптические параметры. Также мы хотим отработать методику формирования подобных канавок на ряде вандерваальсовых материалов, чтобы перейти к созданию прототипов планарных чипов. Кроме того, нам интересно проверить возможность управлять оптическим путем по одному из плеч интерферометра с помощью электрического поля и таким образом модулировать выходной сигнал», — прокомментировала Ольга Матвеева, старший научный сотрудник лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов МФТИ.

На данный момент разработка нового волновода находится на этапе численного моделирования.

Источник: Физики спроектировали новый волновод для будущих фотонных чипов — За науку