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Jul 07, 2023

Fibra reconfigurable

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 7252 (2022) Cite este artículo 2584 Accesos 2 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics En fotónica de silicio, acopladores de fibra a guía de ondas asistidos por rejilla

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 7252 (2022) Citar este artículo

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2 citas

1 altmétrica

Detalles de métricas

En fotónica de silicio, los acopladores de fibra a guía de ondas asistidos por rejilla proporcionan un acoplamiento fuera del plano para facilitar las pruebas a nivel de oblea; sin embargo, su ancho de banda y eficiencia limitados restringen su uso en aplicaciones de banda ancha. Alternativamente, los acopladores de extremo final superan estas limitaciones pero requieren un proceso de corte en cubitos antes de su uso, lo que los hace inadecuados para pruebas a nivel de oblea. Para abordar esta compensación, se propone y diseña un módulo de acoplamiento de fibra a guía de ondas reconfigurable para permitir el acoplamiento asistido por rejilla y el acoplamiento final en el mismo circuito fotónico. El módulo propuesto implementa un acoplador direccional conmutable que incorpora una delgada capa de material de cambio de fase, cuyo estado es inicialmente amorfo para activar el acoplador y, por lo tanto, facilitar el acoplamiento asistido por rejilla para pruebas a nivel de oblea. El estado se puede alterar a cristalino mediante un proceso de recocido a baja temperatura para desactivar el acoplador direccional, facilitando así el acoplamiento a nivel de chip de banda ancha a través de acopladores finales. Todos los componentes que abarcan los acopladores direccionales conmutables conjuntos, así como los acopladores de rejilla y de extremo de fuego, se diseñaron individualmente mediante simulaciones rigurosas. Posteriormente se ensamblaron para establecer el módulo de acoplamiento reconfigurable propuesto, que se simuló y analizó para validar la operación de acoplamiento selectivo. El módulo propuesto da lugar a un bajo exceso de pérdida por debajo de 1,2 dB y una alta relación de extinción superior a 13 dB en toda la banda C, cuando funciona con entrada asistida por rejilla o con entrada de disparo final. Se prevé que el módulo de acoplamiento reconfigurable propuesto sea una solución práctica para acelerar de manera flexible la inspección de circuitos fotónicos integrados a escala de oblea.

Durante la última década se han investigado y desarrollado extensamente circuitos fotónicos integrados (PIC) para computación cuántica, dirección de haces, comunicaciones ópticas y muchas otras aplicaciones1,2,3,4,5,6. Desde la perspectiva de la inspección práctica y el funcionamiento de los circuitos fotónicos, un acoplador asistido por rejilla (GAC) y un acoplador de extremo basado en un convertidor de tamaño de punto (SSC) se consideran principalmente los esquemas recomendados popularmente para fibra a guía de ondas. acoplamiento ligero7,8,9,10,11,12. Los GAC están orientados principalmente para el acoplamiento fuera del plano, mientras que los SSC son adecuados para el acoplamiento final en el plano7,8. Las pruebas a nivel de oblea, que solo son posibles con la ayuda de los GAC, son esenciales para garantizar el mejor rendimiento del PIC durante la fabricación. Sin embargo, para los GAC, el ancho de banda limitado, la menor eficiencia de acoplamiento y la mayor sensibilidad a la polarización los hacen menos deseables7,9. Por otro lado, los SSC dan lugar a una excelente eficiencia de acoplamiento, un ancho de banda más amplio y una mejor tolerancia a la polarización7,13, pero inevitablemente implican un proceso adicional de corte/pulido de los chips; haciéndolos inadecuados para pruebas a nivel de oblea. Con la creciente demanda de chips fotónicos altamente integrados y el rápido aumento del tamaño de las obleas fotónicas, las pruebas a nivel de oblea se han vuelto comprensiblemente indispensables para acelerar el proceso de desarrollo de chips. En este contexto, la elección entre GAC y SSC incita a un equilibrio entre la calidad de fabricación y la usabilidad del PIC. Por lo tanto, un método que incorpore ambos acopladores en el mismo circuito sería muy beneficioso para lograr una mejor calidad de fabricación así como una aplicabilidad más amplia.

En las últimas décadas, se han realizado por separado varios estudios sobre acopladores de rejilla y de extremo de fuego; sin embargo, hasta donde sabemos, no se informó ningún trabajo que analice un acoplador integrado que pueda atender tanto el acoplamiento en el plano recurriendo a un acoplador de extremo como el acoplamiento fuera del plano utilizando un GAC en el mismo circuito. Para integrar el GAC y el SSC en el mismo circuito simultáneamente, es necesario un mecanismo que conmute las entradas y salidas. Es inviable utilizar los interruptores fotónicos comúnmente disponibles que dependen de efectos termoópticos y electroópticos, ya que su funcionamiento implica un suministro continuo de energía para su funcionamiento3. Con la llegada de los materiales ópticos de cambio de fase (PCM), la conmutación no volátil se puede ejecutar sin un suministro de energía continuo14,15,16,17,18. La adopción de PCM hace posible integrar simultáneamente GAC y SSC en un solo circuito, generando así un acoplamiento de luz tanto a nivel de oblea como a nivel de chip. Un estudio publicado por el grupo Y. Zhang demostró un acoplador de derivación transitorio capaz de captar una pequeña porción de luz de una guía de ondas, que podría desactivarse ajustando el estado del PCM, para probables aplicaciones en pruebas a nivel de oblea19. Sin embargo, se limita a aprovechar solo una pequeña porción de luz, lo que no facilita las pruebas de circuitos a nivel de oblea a gran escala. La caracterización a gran escala, que puede abordar una potencia de entrada/salida en lugar de una pequeña porción de la misma, es fundamental para aprovechar al máximo las pruebas a nivel de oblea. En este contexto, se busca categóricamente un esquema de acoplamiento reconfigurable que proporcione pruebas tanto a nivel de oblea como a escala de chip para ejecutar una inspección rápida y flexible de los PIC en producción.

En este artículo, proponemos y diseñamos un módulo de acoplamiento de fibra a guía de onda (RFWC) reconfigurable basado en un acoplador direccional conmutable (SDC) superpuesto PCM, que sirve tanto para acoplamiento en el plano mediado por un SSC como para acoplamiento fuera del plano. confiando en un GAC en el mismo circuito fotónico. Se implementa un par de SDC incorporados en PCM para dirigir la luz de estos dos acopladores dispares dentro y fuera del chip. El estado del PCM se puede cambiar entre estados amorfo y cristalino y viceversa, aplicando calor o pulsos de luz de alta energía al chip a una temperatura específica en un entorno específico6,15,19,20. Esto invoca conmutación no volátil cuando se usa con acopladores direccionales. Debido a que el estado del PCM permanece en su estado actual a menos que su estado sea alterado por la aplicación de calor o pulsos de luz de alta energía6,20, el acoplador direccional no requiere un suministro continuo de calor/energía para su funcionamiento. El módulo de acoplamiento propuesto guía la entrada/salida a través de los GAC, lo que facilita las pruebas a nivel de oblea a gran escala hasta que el SDC cambia al acoplamiento de entrada/salida a través de los SSC, logrando así la interrogación a nivel de chip. Se prevé categóricamente que el módulo RFWC propuesto marque el comienzo de varios tipos de esquemas avanzados de acoplamiento flexible para inspeccionar PIC al adaptarse a diferentes tipos de esquemas de interrogación.

En la Fig. 1 se muestra una ilustración del módulo RFWC propuesto. Consta de un par de acopladores direccionales conmutables superpuestos con PCM (SDC1 y SDC2) conectados a un par de GAC (GAC1 y GAC2) y SSC (SSC1 y SSC2) en facetas de entrada y salida. Los dos SDC están interconectados en cada extremo del circuito fotónico para facilitar la conmutación selectiva entre las entradas/salidas del GAC y el SSC. Para el módulo RFWC propuesto, se consideró una guía de ondas recta como circuito fotónico bajo investigación, que puede ser reemplazado por otros circuitos fotónicos en aplicaciones futuras. Ambos SDC explotan una fina capa de PCM, cuyo estado puede alterarse de amorfo a cristalino y viceversa en virtud del recocido a baja temperatura en las proximidades de 280 °C15,19. El SDC se activa cuando el PCM es amorfo y se desactiva cuando es cristalino. Esta conmutación SDC permite activar y desactivar la entrada y salida del GAC o del SSC. En este trabajo, se eligió Ge2Sb2Se4Te1 (GSST) como candidato a PCM debido a su menor pérdida óptica tanto en el estado amorfo como en el cristalino en comparación con otros PCM15,19. A una longitud de onda (λ) de 1550 nm, el estado amorfo de GSST (aGSST) exhibe un índice de refracción de 3,3258 junto con un pequeño coeficiente de extinción de 1,8 × 10−4 mientras que su estado cristalino (cGSST) manifiesta un índice de refracción más alto y coeficiente de extinción de 5,083 y 0,35, respectivamente21. Debido al alto índice de contraste entre los estados amorfo y cristalino del PCM, se puede lograr una relación encendido-apagado sustancialmente alta y una amplia capacidad de sintonización17. Dado que el GSST permanece en estado amorfo en su forma original, el SDC está diseñado para funcionar bajo la combinación de entrada GAC1 y salida GAC2 de forma predeterminada, lo que puede facilitar las pruebas a nivel de oblea. En el estado amorfo, la entrada polarizada eléctrica transversal (TE) de GAC1 sufre un acoplamiento cruzado a través de SDC1 en el circuito fotónico y se vuelve a acoplar a la salida GAC2 a través de SDC2. Mientras tanto, el módulo RFWC podría reconfigurarse para el acoplamiento final cambiando el estado del GSST al estado cristalino. En este caso, la entrada TE del SSC1 puede ingresar al circuito fotónico y salir de la salida del SSC2 sin pasar por un acoplamiento cruzado en los SDC. El diseño y el rendimiento de los componentes que constituyen el módulo RFWC propuesto, incluidos SDC, GAC y SSC, se analizan individualmente en las siguientes secciones. Finalmente, se ha construido y evaluado meticulosamente el módulo RFWC completo propuesto.

Ilustración del módulo RFWC propuesto. La luz alimentada desde la entrada SSC1 se propaga a través del circuito fotónico y sale por la salida SSC2 (indicada por una línea amarilla) cuando tanto SDC1 como SDC2 están desactivados. Cuando se activan, SDC1 y SDC2 acoplan la luz dentro y fuera del circuito fotónico a través de los GAC de entrada y salida (marcados con líneas punteadas azules).

Los acopladores direccionales juegan un papel integral en el módulo RFWC propuesto, considerando que permiten que la luz de diferentes acopladores de entrada ingrese al circuito y posteriormente salga por sus respectivos acopladores de salida. Con ese fin, se creó un SDC de tres guías de onda basado en una plataforma de guía de ondas de nitruro de silicio (SiN, n = ~ 2,0) que aprovecha un revestimiento de dióxido de silicio (SiO2, n = 1,44). La Figura 2a muestra la estructura SDC propuesta que comprende dos guías de onda de tira de SiN idénticas (WG1 y WG3) mediadas por un WG2 cargado con GSST en la región de acoplamiento, formando un acoplador direccional de tres guías de onda. La guía de ondas WG2 tiene una longitud de Lc, que representa la longitud de acoplamiento requerida para lograr una transferencia de potencia completa de WG1 a WG3 a través del WG2 cargado con GSST en el estado aGSST. Las salidas de WG1 y WG3 se relacionan con los puertos de salida OP1 y OP2, respectivamente. La sección transversal del acoplador direccional se muestra en la Fig. 2b. Los anchos de las guías de ondas WG1, WG2 y WG3 fueron w1, w2 y w3, respectivamente. wgsst es el ancho de la capa GSST colocada encima de la guía de ondas WG2, que es 20 nm más estrecha que w2, teniendo en cuenta la tolerancia de alineación práctica durante la fabricación. Se determinó que los espesores de la guía de ondas de SiN (hwg) y la capa GSST (hgsst) eran 500 y 50 nm, respectivamente. El espacio (wgap) entre las guías de ondas se configuró para que fuera idéntico.

(a) SDC propuesto que incorpora dos guías de ondas idénticas WG1 y WG3, que están mediadas por una guía de ondas cargada con GSST WG2 en la región de acoplamiento de una longitud Lc. (b) Vista transversal del SDC con los parámetros estructurales indicados.

Los parámetros óptimos de los anchos y espacios del SDC se determinaron analizando meticulosamente los índices de refracción efectivos de sus modos propios. Para garantizar el funcionamiento monomodo para una guía de ondas de SiN de 500 nm de espesor5, los valores de w1 y w3 se establecieron de manera idéntica en 750 nm. La Figura 3a muestra la distribución del campo TE de los supermodos pertenecientes al SDC en λ = 1550 nm para los estados aGSST y cGSST. Se observó que el SDC cargado con aGSST admitía dos modos simétricos y un modo asimétrico correspondientes a índices de refracción efectivos de naGSST1, naGSST2 y naGSST3, respectivamente, como se muestra en las figuras 3a-(i) – (iii). El SDC superpuesto con cGSST podría guiar un supermodo simétrico y asimétrico con índices efectivos de ncGSST1 y ncGSST2, respectivamente, como se muestra en la Fig. 3a-(iv) y (v). Los índices efectivos de los supermodos para diferentes valores de w2 se muestran en la Fig. 3b. La transferencia de potencia máxima de WG1 a WG3 se produce cuando los índices efectivos de los supermodos satisfacen la condición de coincidencia de fases, que viene dada por \({\text{n}}_{{{\text{aGSST1}}}} + { \text{n}}_{{{\text{aGSST2}}}} = {\text{2n}}_{{{\text{aGSST3}}}}\)22,23 y satisfecho cuando w2 = 497 nm para el SDC cargado con aGSST. Sin embargo, para el caso de SDC cargado con cGSST, los índices efectivos fueron invariantes para w2, lo que no condujo a ninguna condición de coincidencia de fases. Luego se examinaron las características del acoplamiento con respecto al ancho del espacio (wgap). Las longitudes de acoplamiento que conducen a una transferencia completa de potencia entre WG1 y WG3 para SDC cargados con aGSST y cGSST se indican mediante LaGSST y LcGSST, respectivamente. Las longitudes de acoplamiento, que se estiman a partir de \({\text{L}}_{{{\text{aGSST}}}} { = }\lambda {\text{/2(n}}_{{{\text {aGSST1}}}} {\text{ - n}}_{{{\text{aGSST3}}}} {)}\) y \({\text{L}}_{{{\text{cGSST} }}} { = }\lambda {\text{/2(n}}_{{{\text{cGSST1}}}} {\text{ - n}}_{{{\text{cGSST2}}}} {)}\)16, se calcularon a λ = 1550 nm; Los valores de LaGSST y la relación de LcGSST a LaGSST se representan en la Fig. 3c. Tanto los valores de LaGSST como los de LcGSST/LaGSST aumentaron con la brecha. Un valor más alto de LcGSST/LaGSST se traduce en una tasa de extinción más alta y se logra con una brecha más amplia; sin embargo, una brecha mayor aumenta el LaGSST, lo que implica una mayor huella del dispositivo. Desde la perspectiva de la compensación entre huella y rendimiento, se seleccionó una separación de 600 nm para el acoplador propuesto. En consecuencia, se determinó que la longitud del acoplamiento era Lc = LaGSST = 49,5 µm, lo que lleva a una transferencia de potencia óptima entre WG1 y WG3 en el estado aGSST. La longitud de acoplamiento conseguida es bastante corta desde la perspectiva de los circuitos fotónicos típicos; Se encontró que la relación de LcGSST/LaGSST era aproximadamente 91, lo cual es apropiado para facilitar la conmutación óptica que conduce a una relación de extinción alta.

( a ) Perfiles de supermodo calculados de los SDC superpuestos con aGSST (i) – (iii) y cGSST (iv) – (v). (b) Índices de refracción efectivos correspondientes de los supermodos en términos del ancho w2. (c) Longitud de acoplamiento calculada LaGSST y relación de LcGSST a LaGSST con respecto al espacio (wgap).

A continuación, utilizando los parámetros estructurales diseñados, se modeló y simuló el SDC con la ayuda de una herramienta de simulación 3D en el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD). Las Figuras 4a,b dibujan la propagación de la luz a través del SDC cuando está habilitado y deshabilitado, respectivamente. El SDC está habilitado cuando se opera bajo aGSST (indicado por SDCaGSST). Permite que la luz incidente desde el puerto de entrada (IP) se acople cruzadamente a través del SDC y salga por el puerto de salida OP2. Mientras tanto, para el SDC que opera bajo cGSST (indicado como SDCcGSST), la luz IP de entrada no sufre acoplamiento cruzado debido a la falta de coincidencia de fases, por lo que sale del puerto OP1. El rendimiento de un acoplador direccional generalmente se caracteriza en términos de pérdida de inserción (IL) y relación de extinción (ER). IL significa la cantidad de pérdida incurrida entre el puerto de entrada y el puerto de salida objetivo, mientras que ER es la relación de las potencias de salida transmitidas a través de los dos puertos de salida. El IL y el ER se pueden estimar de acuerdo con \({\text{IL}}_{{\text{aGSST(cGSST)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} { \text{T}}_{{\text{OP2(OP1)}}}\) y \({\text{ER}}_{{\text{aGSST(cGSST)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} {\text{T}}_{{\text{OP2(OP1)}}} {\text{/ T}}_{{\text{OP1(OP2)} }}\), respectivamente. La respuesta espectral de transmisión del SDCaGSST se muestra en la Fig. 4c. Se observó que el SDCaGSST alcanzaba un ILaGSST de tan solo 0,04 dB y un ERaGSST de tan alto como 28,8 dB a λ = 1550 nm. Para el funcionamiento bajo el espectro de la banda C (λ = 1530 nm – 1565 nm), se obtuvo un ILaGSST inferior a 0,3 dB y un ERaGSST superior a 17 dB. Además, la respuesta espectral de transmisión del SDCcGSST se muestra en la Fig. 4d. ILcGSST y ERcGSST fueron 0,5 y 27 dB a λ = 1550 nm, respectivamente. Se observó que ILcGSST y ERcGSST permanecían estables por debajo de 0,6 dB y por encima de 25 dB en toda la banda C, respectivamente. Es de destacar que el rendimiento del dispositivo en términos de IL y ER es directamente susceptible a las variaciones del índice de refracción en GSST en acción. Por lo tanto, el cambio de estados de GSST debe ejecutarse meticulosamente bajo condiciones específicas19,21, evitando así de manera eficiente variaciones no deseadas del índice de refracción incurridas por un cambio de estado incompleto.

(a) Acoplamiento de luz desde el puerto de entrada IP al puerto de salida OP2 cuando el SDC funciona en estado aGSST. (b) En el estado cGSST, no se produce ningún acoplamiento y la salida sale de OP1. La transmisión espectral de los dos puertos se observa para los casos habilitados y deshabilitados por SDC de (c) aGSST y (d) cGSST, respectivamente.

Como prueba de concepto, se intentó un GAC y un SSC para acoplamiento final para las simulaciones del módulo RFWC propuesto. Como se muestra en la Fig. 5a, el GAC se compone de una región de rejilla y un ahusamiento para transmitir la luz incidente hacia una guía de ondas de entrada de 750 nm de ancho. En vista del tamaño del modo TE fundamental de una fibra monomodo estándar (SMF-28), la región de la rejilla se configuró en 15 µm de ancho. Se diseñó un cono adiabático lineal con una longitud de 300 µm. La longitud del cono se puede acortar utilizando una serie de conos concatenados13. Debido a que la rejilla desempeña un papel fundamental en el acoplamiento de la luz desde la fibra a la guía de ondas, sus parámetros se derivaron minuciosamente. En la Fig. 5b se muestra una vista en sección transversal del GAC. Las rejillas se crearon inscribiendo una serie de ranuras a lo largo de una distancia L1 según una profundidad de dg, en una guía de ondas de tira con un espesor de hSiN = 500 nm. El factor de llenado de la rejilla se define como la relación entre la longitud de la guía de ondas no inscrita (L2) y el paso total de la rejilla (Λ). Para un ángulo de incidencia (θ) de 13°, se estima que el paso de la rejilla utilizando la condición de Bragg es de aproximadamente 1,15 µm para la condición completamente inscrita con una profundidad de ranura (dg) de 500 nm en \({\uplambda }_{{\ texto{c}}}\) = 1550 nm. Se ejecutaron simulaciones FDTD para probar la dependencia de la eficiencia total del acoplamiento de los parámetros estructurales. Las Figuras 5c,d muestran las eficiencias de acoplamiento calculadas con respecto a la profundidad de la ranura, el paso y el factor de llenado del GAC. Se observa que el GAC alcanza la máxima eficiencia cuando dg, Λ y f son 500 nm, 1,14 µm y 0,5, respectivamente. Al observar que los espesores del revestimiento superior (hUC) y del revestimiento inferior (hBC) afectan la eficiencia del acoplamiento, se llevaron a cabo simulaciones variando hUC y hBC, como se muestra en las figuras 5e, f, respectivamente. La máxima eficiencia se obtuvo para hUC = 3,7 µm y hBC = 2,6 µm. Se simuló el GAC para descubrir el rendimiento desde la fibra hasta la guía de ondas utilizando los parámetros especificados, como se presenta en la Fig. 5g. El rendimiento observado fue de −3,2 dB en λ = 1550 nm y se mantuvo por encima de −3,9 dB en toda la banda C.

(a) Esquema del GAC propuesto y (b) su vista transversal con los parámetros estructurales etiquetados. (c) Eficiencia de acoplamiento calculada con respecto al paso y la profundidad de la ranura. (d) Eficiencia de acoplamiento dependiendo del factor de llenado y la profundidad de la ranura. Eficiencia de acoplamiento en función de (e) el revestimiento inferior y (f) superior. (g) Respuesta de acoplamiento espectral bajo los parámetros de diseño especificados.

Para el acoplamiento final, se sugirió un SSC para entregar luz desde la fibra a la guía de ondas. El SSC incorporó un cono de múltiples etapas que podría expandir el perfil del modo guiado de la guía de ondas para que coincida con el de la fibra. En este caso, el SSC se diseñó en línea con una fibra de apertura numérica ultraalta que exhibe un diámetro de campo modal diminuto de ~ 4 µm, cuya pérdida de empalme relacionada con una fibra monomodo estándar (SMF28) era tan pequeña como 0,06 dB24. Como se muestra en la Fig. 6a, el SSC se basa en un cono de múltiples etapas de SiN de 500 nm de espesor conectado a una guía de ondas de salida de 750 nm de ancho. Los espesores del revestimiento superior e inferior se eligieron de 2,6 µm y 3,7 µm, según el diseño de GAC. En cuanto al cono, se estimó el solapamiento modal entre el modo TE fundamental de la fibra y el de la punta del cono. Los perfiles de campo del modo TE de la fibra y la guía de ondas de punta de 200 nm de ancho se representan en la Fig. 6b- (i) y (ii), respectivamente. La integral de superposición de modo25 se escaneó en términos del ancho de la punta cónica, como se representa en la Fig. 6c, lo que significa que un ancho de punta de 200 nm conduce a una superposición máxima aproximada de 0,94. Por lo tanto, se seleccionó un ancho de punta de 200 nm para el SSC. En lugar de explotar un único cono adiabático, que normalmente mide varios cientos de micrómetros de longitud, se adoptó un cono acortado de varias etapas que se basa en tres segmentos cónicos concatenados en serie13. Como se delinea en la Fig. 6d, el cono propuesto tiene una longitud total de 65 µm. La Figura 6e muestra la respuesta espectral de la eficiencia de acoplamiento del SSC, lo que indica que el SSC podría ofrecer una eficiencia de acoplamiento mejor que −0,5 dB en toda la banda C. Para mejorar la tolerancia en términos de procesos de corte en cubitos y pulido durante la fabricación práctica de dispositivos, el SSC puede aprovechar una longitud corta de guía de ondas de punta alargada, cuyo ancho es cercano a 200 nm, como se demostró en nuestro trabajo anterior13.

(a) Acoplador de disparo final propuesto basado en un SSC que comprende un cono de múltiples etapas. Perfiles de modo guiado calculados de (b) – (i) fibra de alta apertura numérica y (b) – (ii) el cono terminado con una punta de 200 nm de ancho. (c) El modo calculado se superpone entre la fibra y la punta cónica en términos del ancho de la punta. (d) Cono de múltiples etapas diseñado que consta de tres segmentos concatenados en serie y (e) eficiencia de acoplamiento espectral del acoplador de extremo en función del cono diseñado.

Cuando se prepararon los elementos básicos diseñados, se verificó el funcionamiento del módulo RFWC completo mediante rigurosas simulaciones. En primer lugar, se ideó un acoplador direccional conmutable conjunto (C-SDC) para facilitar la conmutación tanto en el lado de entrada como en el de salida. En segundo lugar, se extrajeron los complejos coeficientes de reflexión y transmisión de amplitud (parámetros S) en relación con los elementos constituyentes, incluidos GAC, SSC y C-SDC, para desarrollar sus modelos, que se ensamblaron para establecer todo el módulo RFWC.

Como se muestra en la Fig. 7a, el C-SDC propuesto comprende dos SDC (SDC1 y SDC2) conectados a cada extremo del circuito fotónico, lo que permite un acoplamiento de entrada/salida reconfigurable hacia y desde el circuito. En este trabajo, una guía de ondas recta actúa como circuito fotónico. Cuando el estado del GSST perteneciente a ambos SDC es aGSST, el C-SDC se habilita, permitiendo así que la luz de entrada del puerto IP2 se acople vía SDC1 al circuito, el cual posteriormente se acopla vía SDC2 y sale por el puerto OP2, como se muestra en la figura 7b. Mientras tanto, el C-SDC se desactiva cuando ambos SDC están en el estado cGSST, lo que hace que la luz de entrada del puerto IP1 pase a través del circuito fotónico sin experimentar acoplamiento cruzado ni en SDC1 ni en SDC2, y la luz finalmente sale del OP1. puerto, como se muestra en la Fig. 7c. Se realizaron simulaciones completas utilizando un esquema FDTD 3D para examinar los perfiles y eficiencias de propagación de campo. Los perfiles de propagación de campo para los casos en los que el C-SDC estaba habilitado y deshabilitado se muestran en la Fig. 7d, e, respectivamente. Los perfiles corroboran el mecanismo de funcionamiento del C-SDC, como se muestra en la Fig. 7b,c. La respuesta espectral de la potencia de salida transmitida a los puertos OP1 y OP2 cuando el C-SDC está habilitado se muestra en la Fig. 7f. El IL total del C-SDC cuando pasa por ambos SDC es inferior a 0,6 dB en toda la banda C. La ER para el caso habilitado para C-SDC es tan alta como 26 dB en λ = 1550 nm y superior a 17 dB en toda la operación de banda C. De manera similar, cuando el C-SDS está desactivado, el IL es inferior a 1,2 dB y el ER está por encima de 24 dB, como se muestra en la Fig. 7g. Para una evaluación adicional del módulo RFWC propuesto, los parámetros de rendimiento se exportaron en forma de parámetros S.

(a) Esquema del C-SDC propuesto donde tanto SDC1 como SDC2 están conectados entre sí mediante un circuito fotónico. El funcionamiento del C-SDC (b) en el estado aGSST donde la luz de entrada de IP2 se acopla al circuito fotónico a través de SDC1 y se vuelve a acoplar a OP2 a través de SDC2 y (c) en el estado cGSST donde la luz de IP1 no sufre ningún acoplamiento cruzado inducido por SDC1 y SDC2, saliendo finalmente de OP1. Características de acoplamiento óptico en los estados (d) aGSST y (e) cGSST. Los espectros de transmisión de TOP1 y TOP2 observados en los puertos OP1 y OP2 para los casos de C-SDC superpuestos con (f) aGSST y (g) cGSST, respectivamente.

Para validar el funcionamiento del módulo RFWC propuesto que conecta los acopladores de rejilla/SSC en la parte superior del C-SDC, se realizaron simulaciones utilizando la herramienta Lumerical Interconnect, que se ha utilizado ampliamente para simulaciones de circuitos fotónicos completos. Los modelos de parámetros S de los elementos constituyentes se derivaron y luego se interconectaron para establecer el módulo RFWC propuesto, como se delinea en la Fig. 8a. Aquí, un analizador de red óptica está equipado con una fuente de luz (S1) para alimentar luz al circuito, así como dos monitores (M1 y M2) para analizar la salida del circuito. La tecla de alternancia es una unidad representativa que simplemente transmite luz desde S1 a la entrada GAC1 o SSC1 durante sus simulaciones, y no pertenece al módulo RFWC propuesto. Cuando el C-SDC está habilitado, la tecla de alternancia permite que la luz de entrada incida en el C-SDC a través de GAC1. La luz de entrada luego se propaga a través del circuito fotónico en el C-SDC y finalmente sale a través de GAC2. Mientras tanto, en el caso de que el C-SDC esté desactivado, la luz de entrada se dirige a través de SSC1 al C-SDC y finalmente sale a través de SSC2. En ambos casos, cuando el C-SDC está habilitado y deshabilitado, la luz de salida a través de SSC2 y GAC2 se registra para estimar la ER. Es de destacar que los modelos de parámetros S correspondientes a aGSST y cGSST se aplicaron a los casos en los que el C-SDC estaba habilitado y deshabilitado, respectivamente.

(a) Diseño esquemático que representa un módulo RFWC completo bajo simulación en el que se implementan todos los bloques funcionales, incluidos los GAC, SSC y C-SDC propuestos. Se utiliza un analizador de red óptica que tiene una fuente de luz (S1) y dos terminales de monitoreo de energía (M1 y M2) para monitorear la transmisión espectral del circuito. (b) Espectros IL calculados utilizando la potencia transmitida registrada en los monitores M1 y M2 para los casos de C-SDC habilitado y deshabilitado. (c) ER calculados del circuito como se observa en M1 y M2 del analizador, para el caso habilitado para C-SDC con la entrada/salida a través de los GAC, y el caso de C-SDC deshabilitado con la entrada/salida a través de los SSC.

También se examinó el funcionamiento del módulo RFWC en términos de IL y ER. El IL, en alusión a la cantidad de pérdida de potencia incurrida por el módulo de acoplamiento, representa la pérdida causada por los acopladores de entrada y salida (ya sea los GAC o los SSC) junto con el IL del C-SDC. El ER es relevante para la energía que escapó a la salida SSC2 cuando se habilitó el C-SDC y al GAC2 cuando se deshabilitó el C-SDC. El IL y ER totales del módulo RFWC se calcularon según \({\text{IL}}_{{\text{CSDC - habilitado (CSDC - deshabilitado)}}} {\text{ = 10 log}}_{ {{10}}} {\text{ T}}_{{\text{GAC2(SSC2)}}}\) y \({\text{ER}}_{{\text{CSDC - habilitado (CSDC - deshabilitado)}}} {\text{ = 10 log}}_{{{10}}} {\text{ T}}_{{\text{GAC2(SSC2)}}} {\text{/ T}} _{{\text{SSC2(GAC2)}}}\), respectivamente. Aquí, TGAC2 y TSSC2 representan las potencias de salida transmitidas al analizador de red a través de GAC2 y SSC2, respectivamente. Los valores de IL resultantes del análisis del módulo RFWC se muestran en la Fig. 8b. Para el circuito en el que el C-SDC está deshabilitado y las entradas y salidas son a través de SSC, el ILCSDC deshabilitado total es inferior a 2,1 dB en toda la banda C. De manera similar, cuando el C-SDC está habilitado con la entrada/salida de luz pasando a través de los GAC, el ILCSDC total habilitado está por debajo de 7,8 dB en todo el régimen de longitud de onda en cuestión. Se menciona que la pérdida se puede suprimir con la introducción de un GAC10 apodizado o multicapa. La implementación práctica de los GAC basados ​​en un C-SDC podría verse afectada de manera no deseada por las resonancias de Fabry-Perot entre la región de la rejilla y el extremo de la guía de ondas en la región de acoplamiento. Sin embargo, considerando que el módulo propuesto puede acomodar esquemas flexibles de GAC, se espera que el problema de resonancia pueda mitigarse aprovechando los GAC enfocados, que se considera que presentan una retrorreflexión reducida12.

Se observó que el módulo de acoplamiento propuesto exhibía un nivel decente de ER tanto para los casos habilitados como para los discapacitados de C-SDC. A lo largo de la banda C, ERCSDC habilitado y ERCSDC deshabilitado estuvieron consistentemente por encima de 13 y 27 dB, respectivamente, como se muestra en la Fig. 8c. Aunque el C-SDC es el principal responsable del ER, la discrepancia en el ER entre el módulo RFWC y el C-SDC solo se atribuye a las diferentes eficiencias de acoplamiento del GAC y el SSC para la simulación del módulo RFWC. Cabe señalar que solo para el ER del C-SDC, no hay acopladores de entrada y salida, lo que no produce pérdida de acoplamiento; por lo tanto, el RE se ve afectado exclusivamente por las COSUDE. Sin embargo, este caso no es válido para el módulo RFWC que involucra un GAC y un SSC que inducen una cierta cantidad de pérdida de acoplamiento. Esta discrepancia de ER entre el módulo C-SDC y RFWC puede reducirse incorporando GAC que podrían proporcionar una eficiencia de acoplamiento equivalente a la del SSC. No obstante, el ER y el IL del RFWC propuesto son razonables para aplicaciones prácticas hacia circuitos integrados fotónicos. Según los IL de los SSC y GAC de entrada y salida, el exceso de pérdida correspondiente al RFWC fue inferior a 0,4 y 1,2 dB cuando el C-SDC estaba habilitado y deshabilitado, respectivamente. En consecuencia, se espera que el módulo RFWC propuesto se implemente en varios circuitos fotónicos, desempeñando un papel vital en el alojamiento simultáneo de GAC y SSC de extremo final.

Se propone y demuestra un módulo RFWC que permite que tanto el GAC como el SSC interroguen el mismo circuito fotónico. El módulo propuesto ofrece una conmutación selectiva entre las entradas/salidas de GAC y SSC aprovechando la capacidad de conmutación no volátil del acoplador direccional basado en GSST. Teniendo en cuenta que el estado de GSST se puede cambiar de amorfo a cristalino mediante recocido a baja temperatura en condiciones ambientales específicas,19 las entradas y salidas se pueden cambiar de GAC a SSC y viceversa, sin involucrar energía continua. durante el funcionamiento del circuito. Esta flexibilidad en la elección del acoplador de entrada y salida permite no solo realizar pruebas a nivel de oblea a gran escala a través del GAC, sino también aplicaciones de baja pérdida y de banda ancha a nivel de chip cuando los chips se cortan en cubitos de la oblea. Teniendo en cuenta su mínimo exceso de pérdida por debajo de 1,2 dB y ER decentes por encima de 13 dB mientras funciona en ambos estados de GSST, se afirma que el módulo RFWC propuesto se puede aplicar a circuitos fotónicos prácticos sin comprometer el rendimiento. Aunque la demostración actual está respaldada por una plataforma SiN en combinación con un PCM de GSST, el módulo propuesto puede adaptarse fácilmente a otros tipos de plataformas y PCM14,16. Está previsto que el módulo RFWC sirva como trampolín para resolver el equilibrio existente entre las pruebas a nivel de oblea a gran escala y el acoplamiento de banda ancha de alta eficiencia a nivel de chip, allanando el camino para la búsqueda de varios circuitos fotónicos híbridos basados ​​en PCM.

Hemos utilizado un solucionador de modo propio de diferencias finitas (FDE) [Ansys Inc.] para revelar los índices de refracción efectivos y los perfiles de campo de los supermodos del acoplador direccional. El solucionador FDE calcula los perfiles del campo modal, sus índices de refracción efectivos, índices de grupo y pérdidas ópticas resolviendo la ecuación de Maxwell en las secciones transversales malladas de las guías de ondas. Se adoptó un solucionador de expansión de modo propio (EME) tridimensional de Ansys Inc. para determinar las longitudes del cono y calcular la eficiencia de acoplamiento del acoplador final. El resto de las simulaciones se basaron en el solucionador FDTD tridimensional y completamente vectorial. Los parámetros S se exportaron para cada uno de los elementos, que se utilizaron para construir el módulo completo. También recurrimos a una herramienta, Lumerical Interconnect, para realizar simulaciones de circuito completo y evaluar el rendimiento del módulo acoplador reconfigurable propuesto. Para las simulaciones, se supuso que los índices de refracción del SiN y SiO2 eran 2,0 y 1,44 a una longitud de onda de alrededor de 1550 nm, respectivamente. Los índices de refracción complejos del GSST tanto amorfo como cristalino se derivaron de las propiedades de dispersión basadas en el trabajo experimental de Zhang et al.21.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación (2018R1A6A1A03025242), el Ministerio de Ciencia y TIC (MIST) (2020R1A2C3007007) y la Universidad de Kwangwoon en 2022.

Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad de Kwangwoon, Seúl, 01897, Corea del Sur

Bishal Bhandari y Sang-Shin Lee

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BB concibió la idea, realizó las simulaciones numéricas y discutió los resultados. SSL guió en el análisis de resultados, interpretación de datos y supervisó todo el trabajo. Ambos autores contribuyeron a la preparación del manuscrito.

Correspondencia a Sang-Shin Lee.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Bhandari, B., Lee, SS. Módulo de acoplamiento reconfigurable de fibra a guía de ondas habilitado por acopladores direccionales conmutables incorporados en material de cambio de fase. Representante científico 12, 7252 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11386-3

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Recibido: 05 de marzo de 2022

Aceptado: 20 de abril de 2022

Publicado: 04 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11386-3

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