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Séparateur de faisceau à polarisation large bande ultracourte basé sur un guide d'ondes plasmonique hybride combiné

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Séparateur de faisceau à polarisation large bande ultracourte basé sur un guide d'ondes plasmonique hybride combiné

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 19609 (2016) Citer cet article 3044 Accès 47 Citations 1 Détails d'Altmetric Metrics Nous proposons un séparateur de faisceau de polarisation à large bande (PBS) ultracompact

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 19609 (2016) Citer cet article

3044 Accès

47 citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

Nous proposons un séparateur de faisceau de polarisation (PBS) ultracompact à large bande basé sur un guide d'ondes plasmonique hybride (HPW) combiné. Le PBS proposé sépare les modes électrique transversal (TE) et magnétique transversal (TM) en utilisant respectivement un HPW inférieur courbé avec des espaces nanométriques verticaux et un HPW supérieur droit avec un espace nanométrique horizontal, sans compter sur une région de couplage supplémentaire. Cette conception réduit considérablement la longueur du PBS à l'échelle submicronique (920 nm, le PBS le plus court signalé à ce jour) tout en offrant des taux d'extinction de polarisation (PER) d'environ 19 dB (~ 18 dB) et des pertes d'insertion (IL) d'environ 0,6. dB (~0,3 dB) pour le mode TE(TM) sur une bande extrêmement large de 400 nm (de λ = 1300 nm à 1700 nm, couvrant entièrement la deuxième et la troisième fenêtre télécom). La longueur du PBS conçu peut être encore réduite à 620 nm tout en offrant des PER de 15 dB, réalisant ainsi un circuit intégré densément photonique. Compte tenu de la tolérance de fabrication, le PBS conçu permet de grands écarts géométriques de ± 20 nm tout en limitant les variations du PER à 1 dB près, à l'exception de celles dans les espaces nanométriques inférieurs à 10 nm. De plus, nous abordons également l’efficacité du couplage d’entrée et de sortie du PBS proposé.

Pour répondre aux demandes de transmission toujours croissantes des systèmes de communication optiques, le multiplexage par répartition en polarisation (PDM) joue un rôle central dans la manipulation des signaux optiques pour les circuits intégrés photoniques (PIC) à l'échelle d'une puce1,2,3,4,5. Les séparateurs de faisceaux de polarisation (PBS), qui séparent les modes électrique transversal (TE) et magnétique transversal (TM), sont des composants essentiels du PDM4 et permettent de traiter indépendamment les deux modes de polarisation, doublant ainsi la bande passante du trafic. De nombreux critères utilisés pour évaluer les PBS comprennent les dimensions des dispositifs, les taux d'extinction de polarisation (PER), les pertes d'insertion (IL), les bandes passantes de fonctionnement, les tolérances de fabrication et la complexité de la structure. Parmi ceux-ci, minimiser les dimensions du PBS tout en conservant des performances satisfaisantes du dispositif est souhaitable pour la construction de récepteurs cohérents et revêt une importance vitale pour le développement de PIC ultradenses de nouvelle génération. Au fil des années, de nombreux types de PBS5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31,32,33,34,35 ont utilisé diverses conceptions et ont inclus des dispositifs d'évolution de mode adiabatique (AME)6,7, des coupleurs directionnels (DC)8,9,10, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, dispositifs d'interférence multimode (MMI)21,22,23,24,25, interféromètres Mach-Zehnder (MZI)26,27,28, cristaux photoniques (PhC)29,30,31 et structures en réseau31,32,33. La plupart des PBS6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,28,32,33,34 ont adopté le silicium sur isolant (SOI) pour réduire efficacement les dimensions des appareils en utilisant les propriétés de contraste à indice élevé de ces plates-formes.

Pour obtenir des PER satisfaisants, les PBS à base d'AME6,7 doivent être très longs (> 200 μm) en raison de leur géométrie à évolution lente, mais ils ont des tolérances de fabrication et des exigences de fonctionnement à large bande moins strictes. Bien que les longueurs des dispositifs de PBS à base de courant continu8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 puissent être réduites à plusieurs dizaines de micromètres avec des PER raisonnables (10 à 20 dB ), les bandes passantes de fonctionnement sont plus étroites que celles des PBS basés sur AME en raison de la nécessité d'utiliser des modes à phase adaptée avec un couplage réglé avec précision. Les PBS basés sur MMI21,22,23,24,25 ont un processus de fabrication plus simple et une tolérance de fabrication plus grande que celles des PBS basés sur AME ; cependant, les dimensions des appareils MMI conventionnels35,36 sont déterminées par le multiple commun des longueurs d'auto-imagerie37 des modes TE et TM, ce qui donne lieu à des appareils très longs (> 1 000 μm). Pour raccourcir la longueur des PBS basés sur MMI, certaines conceptions innovantes ont été récemment signalées, notamment une interférence à deux modes21 (~ 8,8 μm), une interférence à deux modes 2 × 222 (~ 0,94 μm pour la longueur de la section MMI uniquement autre que la PBS entier, les longueurs de la partie entrée/sortie doivent être incluses), métal-isolant-métal (MIM) intégré22 (~44 μm), guide d'ondes plasmonique hybride (HPW)24 (~2,5 μm) et en cascade25 (<950 μm ) MMI. À ce jour, le PBS le plus court signalé a été obtenu pour un MMI utilisant un guide d'ondes plasmonique hybride (HPW)24 et atteignant une longueur submicronique avec un PER > 10 dB sur une bande passante de 80 nm. Les PBS à base de MZI26,27,28, en plus de nécessiter des matériaux hautement biréfringents, avaient des longueurs de dispositif trop longues (300 à 3 000 μm). D'autres options pouvant produire des longueurs de dispositif de plusieurs dizaines de micromètres sont les dispositifs qui utilisent les PBS basés sur PhC29,30,31 et les PBS basés sur un réseau32,33,34. Les inconvénients du premier sont la complexité de fabrication et les pertes relativement importantes dues à la diffusion ; ces derniers, en plus d'avoir un processus de fabrication tout aussi compliqué, sont également difficiles à intégrer dans les PIC.

20 dB). However, the device lengths were longer than those13,14 of asymmetrical DC structures. The shortest three-dimensional DC-based PBS with an HPW structure19 (~2.5 μm) adopted a copper nanorod array placed between two silicon waveguides. Using the localized surface plasmon resonance between the silicon waveguides, the TE mode was effectively coupled to the cross-channel, significantly reducing the device length and yielding a PER of ~15 dB./p> 18 dB and IL < 0.6 dB at R = 800 nm), the dimensions of the proposed PBS must be about 920 nm × 920 nm × 455 nm (the smallest PBS yet designed) and thus, the proposed design has great potential to realize high-density PICs with good performance. Another pivotal characteristic for assessing a PBS is its operating bandwidth with satisfactory PER and IL. Considering the used material dispersions48,49, Fig. 5(c,d) show PER and IL versus the operating wavelength λ between 1,300 nm and 1,700 nm. The results show that the proposed PBS can be operated over a broad bandwidth of 400 nm with PER > 17 dB and IL < 0.6 dB for both modes. With operation over a narrower bandwidth of 200 nm (from 1400 nm to 1600 nm), the PERs can be improved to greater than 18 dB. From Fig. 5(c,d), we observe that the PERs and ILs of the designed PBS are wavelength-insensitive, because of the lack of phase-matched conditions with precise coupling that are required in DC- and MMI-based PBSs. Finally, the fabrication tolerance was also investigated to identify the geometric parameters that significantly affect the performance of the present design. The degradations of the PERs and ILs with variations in w1, w3, h1, h2 and h4 were all within 1 dB and 0.2 dB, respectively, even when these parameters were varied by up to ±20 nm. This stability results from the majority of the energies of the hybrid SPP modes being concentrated in the thin SiO2 layers (i.e., those with the geometric parameters of h3 and w2). Consequently, we first studied the PERs and ILs while varying h3 (Δh3) and the results are shown in Fig. 6(a,b). The considered values of Δh3 range from −2 nm to 5 nm, because the originally designed thickness h3 was only 5 nm. For the TM mode, the values of PERTM and ILTM were moderately influenced by Δh3. It can be understood that a large portion of the energy resides in the upper Si region, in addition to that concentrated in the thin SiO2 gap. In contrast, as expected, PERTE and ILTE are approximately constant as h3 varies. The other critical geometrical parameter is the width (w2) of the vertical SiO2 regions supporting the TE mode. The calculated PERs and ILs are shown in Fig. 6(c,d), respectively. Clearly, PERTM and ILTM are slightly influenced by Δw2, as expected. In contrast to PERTM, PERTE is significantly influenced by Δw2, as shown in Fig. 6(c). This difference results from greater values of w2 causing looser energy confinement in the TE mode. Therefore, more energy is coupled to port 2 because of larger bending radiation. This causes PERTE to be reduced significantly. In contrast, shrinking the width of SiO2 increases PERTE due to better energy confinement. From the above discussions of the fabrication tolerances, the width w2 results in the most significant influence on PERTE. As a result, we conclude that the ability to precisely control the critical parameter w2 determines the PERTE performance of the proposed PBS. Fortunately, the other geometrical parameters besides w2 have more moderate influences on the PERs and ILs. The results confirm the high fabrication tolerances of the proposed PBS, except for with respect to Δw2. For further improving the PERs of TE and TM simultaneously to better values larger than 20 dB, we can decrease the thicknesses of SiO2 layers between Si and Ag. For instance, the PERs of the TE mode are 21.0 dB and 22.1 dB at the conditions of w2 = 4 nm and 3 nm, respectively, as shown in Fig. 6 (c). As for the TM mode, the PER is 20.2 dB at the condition of h3 = 2 nm, which is not involved in Fig. 6(a). Certainly, the fabrication precision will be severer. However, if only the higher PERTE is concerned, increasing the radius of curvature of the bent waveguide to 1100 nm can reach 20.85 dB./p>15 dB. These results indicate that the proposed PBS has the potential to realize high-density PICs with satisfactory performances./p>