Desafiando la sabiduría convencional: los científicos traspasan las fronteras de la fotónica

Desafiando la sabiduría convencional, los científicos han descubierto un nuevo mecanismo de acoplamiento que implica el modo de fuga, que anteriormente se consideraba inadecuado para la integración de alta densidad en circuitos fotónicos.

Este sorprendente descubrimiento allana el camino para una integración fotónica densa, transformando las capacidades de los chips fotónicos y su escalabilidad en áreas como la computación óptica, las comunicaciones cuánticas, la detección y alcance de la luz (LiDAR), la metrología óptica y la detección bioquímica.

en los últimos días Ciencia de la luz y aplicación. En esta publicación, Sangsik Kim, profesor asociado de ingeniería eléctrica en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), y sus estudiantes de la Universidad Tecnológica de Texas demuestran que una onda de fuga anisotrópica puede lograr interferencia cero entre guías de ondas idénticas estrechamente espaciadas utilizando una longitud de onda rejilla (SWG). metamateriales. Este hallazgo contrario a la intuición aumenta significativamente la longitud de acoplamiento del modo magnético transversal (TM), que históricamente ha presentado desafíos debido a su bajo confinamiento.

Esta investigación se basa en sus estudios previos sobre materiales SWG para reducir la interferencia óptica, incluido el control de la profundidad de la superficie de las ondas evanescentes y un acoplamiento excepcional en el modo guiado anisotrópico. Los SWG han logrado recientemente avances significativos en fotónica, permitiendo muchos componentes PIC de alto rendimiento. Sin embargo, persistieron los desafíos de la densidad de integración para el modo TM, que exhibe aproximadamente 100 veces mayor interferencia que el modo eléctrico transversal (TE), lo que dificulta la integración de alta densidad en el chip.

«Nuestro grupo ha explorado grupos de trabajo especiales para la integración fotónica densa, que ha logrado mejoras significativas. Sin embargo, los enfoques anteriores se limitaban sólo a la polarización TE. En el chip fotónico, hay otra polarización ortogonal TM, que puede duplicar la capacitancia del chip y, a veces, Es más deseable que el TE, como en la detección de campos efímeros. Kim explicó que el TM está más densamente integrado que el TE porque normalmente está menos restringido por la baja relación de aspecto de la guía de ondas.

Inicialmente, el equipo pensó que era imposible reducir la interferencia utilizando SWG, ya que esperaban que el modo con fugas mejorara el acoplamiento entre las guías de ondas. Sin embargo, se centraron en el potencial de la turbulencia anisotrópica con el modo de fuga, con la hipótesis de que podría lograrse una cancelación mutua.

Al aplicar el análisis de modo acoplado a las propiedades típicas de los modos SWG con fugas, descubrieron una perturbación anisotrópica única con un modo similar a una fuga, lo que no produce interferencia entre guías de ondas SWG idénticas y poco espaciadas. Utilizando simulaciones de límites de Floquet, diseñaron guías de ondas SWG prácticamente ejecutables en una plataforma estándar de silicio sobre aislante (SOI) fácilmente disponible en la industria, lo que demuestra una marcada supresión de la diafonía y mayores longitudes de acoplamiento de más de dos órdenes de magnitud en comparación con las guías de ondas de tira. .

Este avance también reduce significativamente los niveles de ruido dentro de los PIC, con posibles implicaciones para las comunicaciones y la computación cuánticas, la medición óptica y la detección bioquímica. Los investigadores también enfatizaron las implicaciones más amplias de su trabajo, señalando que este nuevo mecanismo de acoplamiento se puede expandir a otras plataformas ópticas integradas y sistemas de longitud de onda en el visible, el infrarrojo medio y los terahercios más allá de la banda de comunicaciones.

Este asombroso mecanismo de acoplamiento ha ampliado la posibilidad de una integración fotónica densa, desafiando la sabiduría convencional y ampliando los límites del campo. A medida que continúe la investigación, la industria de la fotónica probablemente verá un cambio hacia tecnologías PIC más densas, menos ruidosas y más eficientes.

Referencia: “La turbulencia anisotrópica similar a una fuga con rejillas de longitud de onda inferior permite interferencia cero” por Muhammad Faiz Kabir, Dr. Burhan Mia, Ishtiaq Ahmad, Nafez Gedi, Syed Z. Ahmed y Sangsik Kim, 2 de junio de 2023, Luz: ciencia y aplicaciones.
doi: 10.1038/s41377-023-01184-5