制御可能なハイブリッドプラズモニック集積回路

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9983 (2023) この記事を引用

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この論文では、ハイブリッド プラズモニック導波路 (HPW) ベースの菱形ナノ アンテナ、偏光ビーム スプリッター、カプラー、フィルター、およびセンサーで構成される制御可能なハイブリッド プラズモニック集積回路 (CHPIC) が初めて設計され、調査されました。 対応する入力ポートへの電力を制御するために、切り替え可能な出力を備えたグラフェンベースの 1 × 3 パワー スプリッターが活用されています。 各デバイスの機能は有限要素法に基づいて包括的に研究され、最先端技術と比較した利点が比較されています。 さらに、CHPIC のさまざまな励起方法の能力を示すために、フォトニックおよびプラズモン導波路への CHPIC の接続の効果が研究されています。 さらに、内部/内部無線伝送リンクに接続された提案された CHPIC のパフォーマンスが調査されました。 無線伝送リンクは、送信機と受信機として 2 つの HPW ベースのナノ アンテナで構成され、193.5 THz でそれぞれ最大ゲインと指向性が 10 dB と 10.2 dBi になります。 提案された CHPIC は、光無線通信やチップ間/チップ内の光相互接続などのアプリケーションに使用できます。

フォトニック集積回路 (PIC) は、無線光通信、センシング、計算、フィルタリング、分光法、ビームステアリングなどにおける低コストで大規模な光ソリューションなどの顕著な識別可能な機能を実現する上で、前例のない重要な可能性をもたらします1。 ベンド、リング共振器、スプリッタ、カプラ、センサー、アンテナなどの個別コンポーネントのダウンスケーリングと統合により、従来報告されているフォトニックデバイスではアクセスできない新しいコンセプトのノブと機能が保持されます2。 さらに、典型的な離散プラズモニックおよびフォトニック導波路コンポーネントは、超低伝播損失、高速かつ効率的な全光学機能を同時にサポートできず、回折限界要件などのボトルネックをそれぞれ克服することができないため、これらを排除する実現可能なソリューションを見つける必要があります。課題３．

HPW コンポーネントを利用するというアイデアは、過剰な抵抗損失に悩まされるなどの現在の制限に対処し、集積回路設計の小型化に適した複数のディスクリート コンポーネントの提案を可能にする PIC の機能標準を促進する、最も破壊的な技術の 1 つです。 。 多くの材料系とさまざまな構成が調査され、集積回路のハイブリッド プラズモニック コンポーネントに採用されてきました4。 超小型、広帯域、超低損失のハイブリッド プラズモニック集積回路 (HPIC) を設計するための材料の例としては、シリコン (Si)5、リン化インジウム (InP)6、窒化シリコン (SiNx)7、ガリウムヒ素 (GaAs)8 などがあります。 、窒化アルミニウム (AlN)9、炭化ケイ素 (SiC)10、および水素シルセスキオキサン (HSQ) は、さまざまな集積光学アプリケーションにとって非常に魅力的です 11。 HSQ は、フォトニック デバイスの高解像度電子ビーム リソグラフィー (EBL)12 に多用されており、ほとんどの材料および製造プロセスと完全に互換性があります。 原理的には、高い集積密度と相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) テクノロジーとの互換性という 2 つの大きな利点がもたらされます。 さらに、屈折率がほぼ同じであるため、既存のシリコン オン インシュレータ (SOI) 設計および HPIC の製造プロセスの適応が容易になります。

また、HPW は、プラズモニックとフォトニックの対応物を組み合わせたもので、超厳密な閉じ込め、長距離の伝播長を提供し、ハイブリッド プラズモニック モードをサポートします。 したがって、横磁性(TM)モードの誘導における従来の用途から、光ビームステアリング、無線光通信、センシング、計算、フィルタリング、曲げ、分割、光の放射などの新興分野まで、広範囲のアプリケーションに急速に革命を起こしています。光通信システムに不可欠なコンポーネントとして基本的な機能を担う信号です2、13、14。