Entgegen der herkömmlichen Meinung haben Wissenschaftler einen neuen Kopplungsmechanismus mit Leckagemodi entdeckt, der zuvor als ungeeignet für die hochdichte Integration photonischer Schaltkreise galt. Diese erstaunliche Entdeckung ebnet den Weg für die Photonenintegration mit hoher Dichte und verändert das Potenzial und die Skalierbarkeit von Photonenchips in Bereichen wie optisches Rechnen, Quantenkommunikation, Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), optische Messtechnik und biochemische Sensorik.
In einer aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Light Science & Application demonstrierten Sangsik Kim, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), und seine Studenten an der Texas Tech University, dass anisotrope Leckwellen mithilfe von Subwellenlängengitter-Metamaterialien (SWG) ein Null-Übersprechen zwischen eng beieinander liegenden identischen Wellenleitern erreichen können. Diese kontraintuitive Entdeckung erhöht die Kopplungslänge transversaler magnetischer (TM) Moden erheblich, die aufgrund ihres geringen Einschlusses eine Herausforderung darstellten.
Diese Forschung baut auf ihrer früheren Arbeit zur Verwendung von SWG-Metamaterialien zur Reduzierung des optischen Übersprechens auf, einschließlich der Steuerung der Eindringtiefe von Verdampfungswellen und der speziellen Kopplung in anisotropen geführten Wellenmodi. In jüngster Zeit hat SWG erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet der Photonik gemacht und eine Vielzahl leistungsstarker PIC-Komponenten ermöglicht. Allerdings steht die Integrationsdichte des TM-Modus immer noch vor Herausforderungen, und sein Übersprechen ist etwa 100-mal so hoch wie das des lateralen elektrischen (TE) Modus, was eine Chipintegration mit hoher Dichte behindert.
„Unsere Forschungsgruppe hat SWGs für die dichte photonische Integration erforscht und dabei erhebliche Verbesserungen erzielt. Bisherige Methoden waren jedoch auf die TE-Polarisation beschränkt. In photonischen Chips gibt es ein weiteres orthogonales Polarisations-TM, das die Chipkapazität verdoppeln kann und manchmal beliebter als TE ist, beispielsweise bei der Gradientenfelderfassung.“ Kim erklärte: „TM ist schwieriger dicht zu integrieren als TE, da sein Wellenleiter-Seitenverhältnis im Allgemeinen niedriger und weniger restriktiv ist.“
Ursprünglich glaubte das Team, dass es unmöglich sei, das Übersprechen mithilfe von SWGs zu reduzieren, da es erwartete, dass Leckmoden die Kopplung zwischen Wellenleitern verbessern würden. Sie konzentrierten sich jedoch auf das Potenzial anisotroper Störungen mit Leckmoden und gingen davon aus, dass eine Kreuzauslöschung erreicht werden könnte.
Durch die Durchführung einer gekoppelten Modenanalyse der Modaleigenschaften von Leck-SWG-Wellenleitern entdeckten sie einzigartige anisotrope Störungen mit ähnlichen Leckmoden, die ein Null-Übersprechen zwischen dicht beieinander liegenden identischen SWG-Wellenleitern ermöglichten. Mithilfe der Floquet-Grenzsimulation entwarfen sie einen realisierbaren SWG-Wellenleiter auf der branchenüblichen SOI-Plattform (Silicon-on-Insulator). Im Vergleich zu Streifenwellenleitern ist der Effekt der Übersprechunterdrückung erheblich und die Kopplungslänge wird um mehr als zwei Größenordnungen erhöht.
Dieser Durchbruch reduziert auch den Rauschpegel innerhalb von PICs erheblich, mit potenziellen Auswirkungen auf die Quantenkommunikation und -verarbeitung, die optische Messtechnik und die biochemische Sensorik. Die Forscher betonten außerdem die weitreichenden Auswirkungen ihrer Arbeit und stellten fest, dass dieser neuartige Kopplungsmechanismus auf andere integrierte Photonikplattformen und Wellenlängenbereiche ausgeweitet werden könnte, darunter sichtbares, mittleres Infrarot und Terahertz jenseits der Telekommunikationsbänder.
Dieser erstaunliche Kopplungsmechanismus erweitert das Potenzial der dichten photonischen Integration, bricht mit der herkömmlichen Meinung und bringt das Gebiet voran. Mit fortschreitender Forschung wird sich die Photonikindustrie wahrscheinlich in Richtung dichterer, rauschärmerer und effizienterer integrierter Schaltkreistechnologien bewegen.