Грант РФФИ 12-07-00018-а (2012-2014)
Эффективное прохождение оптической волны в пересекающихся кремниевых проволоках за счет прямого и обратного туннелирования в прилегающий волновод
- Руководитель: Царев Андрей Владимирович, в.н.с., д.ф.-м.н., ИФП СО РАН
- Исполнитель: Колосовский Евгений Анатольевич, с.н.с., к.ф.-м.н., ИФП СО РАН
- Исполнитель: Самбур Надежда Владимировна, ведущий инженер программист, ИФП СО РАН (до 2014 г.)
Рассмотрена актуальная задача эффективного прохождения оптической волны в пересекающихся кремниевых проволоках с высоким показателем преломления за счет промежуточного прямого и обратного туннелирования через буферный слой в прилегающий многомодовый оптический волновод с низким показателем преломления. В такой оригинальной трехслойной структуре [A.V. Tsarev, Opt. Express 19, 13732 (2011)], за счет плавного уменьшения сечения кремниевой проволоки возможно осуществить пересечение (через прилегающий волновод) двух субмикронных кремниевых волноводов с пренебрежимо малыми < 2% потерями на рассеяние. Тем самым снимается основная проблема при проектировании оптических микрочипов, требующих множественного пересечения световых микропотоков. Особенность данной оптической задачи заключается в том, что с уменьшением сечения кремниевой проволоки область поля, занимаемая фундаментальной модой, нарастает, а сама волна за счет неоднородной туннельной связи постепенно трансформируется в поля собственных мод прилегающего широкого волновода. Затем, за точкой пересечения двух кремниевых проволок, процесс идёт в обратную сторону с восстановлением фундаментальной моды в проволоке. Мы полагаем решать данную задачу полуаналитически, модифицированным методом связанных волн, учитывающим все типы мод дискретного и непрерывного спектров (излучательных и нераспространяющихся (evanescent)). Полученные результаты будут сопоставлены с данными численных экспериментов, полученных методом конечных разностей во временной области (FDTD).
Библиографический список всех публикаций по проекту

А.В.Царев
в книге “Юбилейный сборник избранных трудов Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (1964-2014) / Отв. ред. А.В. Латышев, А.В. Двуреченский, А.Л. Асеев. – Новосибирск: Параллель, 2014, с.722-735.
http://dx.doi.org/10.1109/JSTQE.2013.2295180

A. Tsarev
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.20, no.4, pp.77-84, July-Aug. 2014
http://dx.doi.org/10.1109/JSTQE.2013.2295180

A. Tsarev, E. Kolosovsky
in Proceedings the European Conference on Integrated Optics (ECIO 17th) and the MicroOptics Conference (MOC 19th), from 24 to 27 june, 2014 Nice, France, P019, pp. 182-183.
http://www.atout-org.com/eciomoc2014/program

A. Tsarev
in Proceedings the European Conference on Integrated Optics (ECIO 17th) and the MicroOptics Conference (MOC 19th), from 24 to 27 june, 2014 Nice, France, P039, pp. 220-221.
http://www.atout-org.com/eciomoc2014/program

E. Kolosovsky, A. Tsarev
in Abstract of the XXII International Workshop on Optical Wave & Waveguide Theory and Numerical Modelling (OWTNM 2014), Nice, France, June 27-28, 2014, P-09, p. 52.
http://www.fresnel.fr/owtnm2014/media/media/OWTNM2014_AbstractBook.pdf

A.Tsarev
In Proceedings 2012 11th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering APEIE-2012, Novosibirsk, October 2-4, 2012, Oral, Volume 1, pp. 151-153.
http://dx.doi.org/10.1109/APEIE.2012.6629163

Andrey V. Tsarev
in Abstracts 19th International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling (OWTNM 2012), 20th – 21st April 2012, Barcelona, Spain, Oral SaC2, p. 26, 2012.

A. Tsarev and E. Kolosovsky
Proc. SPIE 8781, Integrated Optics: Physics and Simulations, 878112 (May 7, 2013); doi:10.1117/12.2017082
http://dx.doi.org/10.1117/12.2017082
http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1686006
В работе численным моделированием исследуется концепция эффективного волноводного пересечения кремниевых проволок путем туннельного обхода оптическим лучом зоны пересечения. Обход осуществляется за счёт вертикальной туннельной связи излучения в суживающихся (клиновидных) областях фотонной проволоки с верхним полосковым волноводом из полимера SU-8 с низким показателем преломления. В случае кремневого волновода высотой 220 нм и шириной 450 нм оптимальная структура имела следующие параметры: толщина верхнего окисного буферного слоя - 180 нм, длина и узкая часть клиновидной области - 30 мкм и 160 нм, соответственно, высота и ширина полимерного волновода 1,7 мкм и 1,5 мкм, соответственно. На центральной оптической длине волны 1,55 мкм устройство обеспечивает общие внутренние потери около 0,1 дБ для сквозного прохождения: кремниевая проволока - верхний полимер - кремниевая проволока. Показана возможность прохождения света через множество разрывов кремниевых фотонных проволок при умеренном уровне потерь. Для перекрёстного направления оптическая волна проходит по непрерывному кремневому волноводу и чувствует пересекаемые полимерные волноводы только затухающей частью своего электромагнитного поля. Таким образом, обеспечиваются незначительные потери на пересечение и возможность для множества аналогичных пересечений. Для анализа распространения света через множество волноводных пересечений мы проводим двумерное моделирование и используем модифицированный метод линий (MoL) и метод эффективного показателя преломления. Наши результаты были проверены с помощью коммерческого софта на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD). Расчеты показали, что предлагаемая структура обеспечивает пересечение кремниевых проволок с пренебрежимо малыми потерями (<0,002 дБ). Предлагаемые элементы могут найти приложение в устройствах фотоники и интегральной оптики, требующих для работы множественных пересечений световыми микропотоками.

А.В.Царев, Е.А.Колосовский
Квантовая электроника, т.43, №8, с. 744-750 (2013)
http://www.quantum-electron.ru/php/paper_rus.phtml?journal_id=qe&paper_id=15089
http://dx.doi.org/10.1070/QE2013v043n08ABEH015089
На примере кремниевых фотонных проволок в структуре кремний-на-изоляторе рассмотрена задача пересечения тонких высококонтрастных канальных волноводов. Для обеспечения высокой эффективности прохождения оптической волны при минимальном уровне паразитного рассеяния предлагается использовать структуру на основе вертикальной связи тонкого суживающегося кремниевого волновода и толстого оптического волновода из полимера, разделённых тонким буферным слоем окисла. Методами численного моделирования найдены условия, при которых такая структура (размером 3 × 90 мкм) обеспечивает на длине волны 1.55 мкм эффективность прохождения света на уровне 98% и 99% в телекоммуникационном спектральном интервале шириной 35 и 26 нм соответственно для прямого направления и на уровне 99.99% – для перекрестного направления. Данный оптический элемент предложено использовать в оптических микрочипах с множественными пересечениями канальных световодов.

Andrei V. Tsarev
Optics Express Vol. 19, Iss. 15, pp. 13732–13737 (2011)
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-19-15-13732