Исследование и разработка соединительных волноводных элементов для фотонных интегральных схем

Введение 8
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Элементы ввода света 10
1.2 Полное внутреннее отражение 13
1.3 Волноводные структуры 15
2 COMSOL Multiphusics 33
3 РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ 37
3.1 Нагруженный волновод 37
3.2 Гребенчатый волновод 40
3.3 Конусный волновод 43
Заключение 47
Список использованных источников 48

Весь текст будет доступен после покупки

В современном мире широко используются электронные интегральные схемы. Они используются во всех сферах электроники и информационных технологиях, включая компьютеры, мобильные устройства, медицинское оборудование, автомобильную промышленность и др. [1]. Эти схемы используются для выполнения различных функций, таких как усиление сигнала, конвертация и фильтрация данных, а также управление энергией. Но на замену им приходят фотонные интегральные схемы (ФИС), которые используют свет вместо электричества для передачи информации. ФИС могут обеспечивать более высокую скорость передачи данных и энергоэффективность по сравнению с электронными интегральными схемами [2]. Обычно они включают в себя лазеры, усилители, модуляторы, волноводы, делители, ответвители и элементы ввода-вывода.
Для выбора материала ФИС активно исследуется тонкопленочный ниобат лития (LiNbO3), так как он обладает уникальными оптическими свойствами. Тонкопленочый ниобат лития обладает широким прозрачным диапазоном длин волн (от видимого до инфракрасного), высокой диэлектрической проницаемостью, нелинейностью и эффективностью оптической модуляции. Все эти свойства делают его идеальным материалом для создания оптических волноводов, модуляторов, решеток и других компонентов ФИС.

Весь текст будет доступен после покупки

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Элементы ввода света

Одной из важнейших задач интегральной оптики, является ввод света в ФИС, которая заключается в вводе света в интегральный волновод через оптическое волокно, которое, как правило, обладает размерами поперечного сечения примерно в 10 раз больше поперечного сечения интегрального волновода (рисунок 1.1).



n1 – показатель преломления сердцевины; n2 – показатель преломления оболочки; n0 – показатель преломления воздуха

Рисунок 1.1 – Схематическое представление оптических волноводных структур: а – поперечное сечение оптоволокна; б – поперечное сечение оптического волновода [5]

Существует множество способов ввода света в волновод. Каждый метод ввода света имеет свои преимущества.
В случае прямой стыковки волноводы приводятся в непосредственный физический контакт друг с другом (рисунок 1.2). Данный метод позволяет вводить свет без дополнительных оптических элементов. Этот вид стыковки волноводов широко используется для волоконно-оптического оборудования при стыковке оптических волокон при помощи коннекторов и адаптеров.


1 – сердцевина волоконного световода; 2 – подложка ФИС; 3 – волновод ФИС

Рисунок 1.2 – Ввод света в волновод с помощью стыковки [6]

С помощью рупорного волновода обеспечивается низкие потери и широкая полоса пропускания (рисунок 1.3). Физический принцип работы – минимизация обратного отражения и рассеяния при плавном адиабатическом преобразовании волноводной моды. Использование плавно сужающейся волноводной секции позволяет достигать чрезвычайно высоких значений напряженности электрического поля как в оптическом, так и в терагерцевом диапазонах.



Рисунок 1.3 – Рупорный волновод

Основные типы рупоров образуются в результате расширения круглого или прямоугольного волновода: секториального рупора, H – плоскостного, E – плоскостного. В первых силовые линии электрического поля перпендикулярны широкой стороне раскрыва, а во-вторых – узкой.
Использование призменных элементов для ввода и вывода оптического излучения основано на явлении оптического туннелирования. Суть метода заключается в следующем. Призма, изготовленная из материала с показателем преломления, превышающим показатель преломления волновода, плотно прижимается к поверхности волновода. При этом между призмой и волноводом имеется зазор s, равный десятым долям длины волны света (рисунок 1.4).

Весь текст будет доступен после покупки

1. Интегральные схемы микроэлектроники [Электронный ресурс]: сайт интегральных схем. URL: https://sites.google.com/view/olgailina/главная-страница/учебный-материал/раздел-2-электроника/тема-2-2-интегральные-схемы-микроэлектроники/ (дата обращения 11.06.2024)
2. Фотонная интегральная схема [Электронный ресурс]: фотоникаю. URL: https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/fotonnaya_integralnaya_shema/ (дата обращения 12.06.2024).
3. Photonic Damascene process for low-loss, high-confinement silicon nitride waveguides/ Martin H.P. Pfeiffer [et al.] // IEEE Journal. 2018. 24(4). P1–11.
4. Analysis of Waveguides on Lithium Niobate Thin Films/ Y. Wang [et al.] // Crystals. 2018. 8(5). 191.
5. Поставки импортных электронных компонентов [Электронный ресурс]: Компания «ЭФО». URL: https://habr.com/ru/company/efo/blog/301132/ (дата обращения 19.02.2024).
6. Андриевский А. Устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых волноводов. Беларусь: ООО "Лазерском"; Датский Технический Университет, 2016.
7. Зеленовский П. С. Основы интегральной и волоконной оптики: учебное пособие. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2019. 135 с.
8. Сидоров А.И. Основы фотоники: физические принципы и методы преобразования преобразования оптических сигналов в устройствах фотоники: Учебно-методическое пособие. СПБ.: ФГБОУ ВПО «СПБ НИУ ИТМО», 2014. 148 с.
9. Слепов Н.Н. Оптические волоконные конверторы и модуляторы / Электроника: наука, технологии, бизнес. 2000. №6. С. 6-10.
10. Одномодовые и многомодовые оптические кабели [Электронный ресурс]: сайт оптических кабелей. URL: https://vols.expert/useful-information/odnomodovye-i-mnogomodovye-kabeli/ (дата обращения 17.02.2024).
11. Данилина Т.И., Кагадей В.А., Анищенко Е.В. Технология кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие. Томск: В-Спектр, 2011. 263 с.
12. Кулыгин Д.А. Ионная имплонтация / Инновационная наука. 2017. №01. С.14–16.
13. Влияние воды, содержащейся в бензойной кислоте, на процесс протонного обмена, структуру и свойства протонообменных волноводов на монокристаллах ниобата лития / И.В. Петухов [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. Т.14. № 1. 2012. C. 119—123.
14. Нестеренко М. В. Моделирование и получения планарных волноводов в градиентных PPLN: Выпускная квалификационная работа. Краснодар. 2015. 61 с.

Весь текст будет доступен после покупки