基于光子晶体2/3/6 -分光器和信号分离器

介绍

平面架构提供紧凑的平面电路,可以帮助使小型化光子设备。而对于经典通信,设备好通道分离是有趣的1- - - - - -4),这些也可以应用在量子信息处理几个光子水平反应实现(5- - - - - -10]。基于光子晶体(PC)的平面设计提供集成芯片架构,采用非线性光学材料,可以实现超快的主动控制和新颖的功能11]。量子信息是基于个人电脑的平面电路的可行性报告在/砷化镓量子点(QD)旋转光子转换以QD读出电子自旋状态通过测量发射光子的完整极化(10,12]。耦合腔结构适合multi-qubit操作和研究量子点之间的非本地交互也报道(13]。因此,个人电脑架构有趣的经典和量子信息处理。

基于PC的信号分离器/分割的性能取决于输出通道的数量,相声,通道分离、传动效率、足迹、易于制造。大量的建议提出了改善这些特征。巴尼耶et al。14)提供了基于超级棱镜的设计的信道间隔25 nm和相声水平约−16分贝。摩曼等人报道的信道间隔8海里相声水平最高的−6.5 db结合超棱镜效应与负面衍射和折射15]。程等人提出了基于硅棒的五频复用器的周期性晶格的信道间隔8海里(16]。Rostami et al。17,18)提出了一个设计4-channel信号分离器结合有四个谐振腔的三通波导通道间距为0.8 nm,相声水平比−18.8 dB和536μm的足迹²。级联三PC环resonator-based下降通道具有不同折射率的过滤器实现四通道信号分离器与信道间隔约为6.1 nm,平均95%的传输效率与串扰比−24.44 dB在结构与294.25μm的足迹²(19]。Alipour-Banaei et al。20.)提出了一种谐振结构设计缺陷八路信号分离器的信道间隔约1海里,最低传输效率和最大的40%和相声−8分贝,分别498μm的足迹²。Mehdizadeh Soroosh提出一个八路信号分离器设计基于正方形晶格缺陷谐振腔rods-in-air方法(21]。传输效率获得了94 - 99%的范围内与串扰比−11.2 dB和495μm的足迹²。PC与相位失配引入波导波导壁转移冰层对演示的人(22]。在这些,相位失配导致模式分裂可以用来实现细通道分离。高效的PC cavity-waveguide耦合器的耦合效率高达90%(早些时候显示23]。

在本文中,我们提出了耦合cavity-waveguide架构展示分割和信号分离器与最小的足迹。多个波导,每个不同波长和优化,以及个人蛀牙是为了演示2 -,3 -,6-way分割和多路分配器的应用程序。虽然波导辐射从中央来源不同的武器,每个腔用于飞机的耦合。这些结构的示意图如图所示1。的空气介质的方法被认为是达到一个相当高的传输效率,串扰比−2.2 db, 78μm的足迹²这是小得多比到目前为止提出的。设计的新颖性在于使用相同的结构和不同的参数作为分光器或光信号分离器。

数值模拟和分析

空气孔的结构包括在砷化镓(红圈)电影(黑色区域)如图1模拟。对于模拟这些结构,我们使用全波数值模拟软件Lumerical(24)来实现时域有限差分(FDTD)。选择砷化镓衬底和材料参数由Palik [25)已被用于模拟。我们认为与150 nm砷化镓晶片参数与空气悬浮空中桥梁几何顶部和底部的砷化镓10,12]。这给垂直(面)的监禁。当空气在顶部,底部气隙是可实现的,牺牲AlGaAs层低于150纳米厚的砷化镓薄膜的分子束外延生长晶片概要,砷化镓(150海里)-AlGaAs(1μm)砷化镓(缓冲层)砷化镓(衬底)。完美匹配层(PML)边界条件中使用了平面几何的26]。

网格的大小是20 nm,/ 18在哪里一个晶格常数(一个= 360海里)。网形。ps模拟仿真时间是10 ~ 11 x 11μm地区PC结构。PC结构包括六角晶格的空气孔嵌在砷化镓衬底。创建了空中桥梁结构与空气包层顶部和底部。我们使用两种类型的监控:频域字段和电力监控和时间监控确定透射光谱,传输效率和谐振波长。频域字段和权力监控给出了电场强度的频率范围。频域场监视器收集连续波,稳态电磁场数据在频域有限差分或变量FDTD模拟。根据观察结果,我们确定了耦合效率,电场强度剖面,透射光谱和共振波长。显示器的时间为我们提供时域信息字段组件的模拟。 These are used for extracting the line widths of resonances through Fourier analysis and thus, are useful in calculating the Q factor and coupling efficiency.

提出了信号分离器/分配器有三个主要组件:输入腔,波导部分和输出腔。输入和输出都蛀牙是H1蛀牙形成通过移除一个中央空调洞,不同的空气孔的半径和位置。优化是实现高品质因数的空腔和匹配InGaAs /砷化镓量子点的发射波长发射。量子点(QD)在输入腔模拟发射偶极子源在这个位置覆盖的波长范围900 - 1300 nm。研究偏振依赖性也模仿塞曼分裂的水平,一个可以使用两个正交极化偶极子源(10]。众所周知,在H1腔,腔模式取决于:(1)半径(r₁(r)的相邻空气洞₁增加,λ减少),(2)外(Δ转变₁)的相邻空气孔的约束程度决定特定的模式。

光波导夫妇从输入到输出谐振腔。效率是通过操纵控制的耦合损耗腔和波导之间的耦合。从设计的角度来看,耦合效率以及操作(分光器是否或多路分配器),取决于(a)输入腔参数,(r₁,一个₁(一个₁= +Δ₁)),(b)输出腔参数,(r₂,一个₂(一个₂= +Δ₂))(c)附近的空气孔半径线缺陷(w_1/2/3),即。,the waveguide parameters and d) the length of the waveguide. This is illustrated in Figure2(Δ₁,Δ₂是向外转移的空气孔构成H1腔)。冰层的标志h,在提高耦合效率起着关键作用。

点缺陷破坏晶体的对称性,因此允许平面外耦合。输入腔,能量是兴奋的存在正交偶极子源,同时输出腔能量进行分析。因为输出腔的大小(~ 1×1μm)很小,环形耦合器(如图1 d)是用于收集从PC out-coupled能量(27]。

仿真结果

光子晶体结构如图1,2被一个多级优化过程开始首先确定空气孔半径(r)和晶格常数(a)的电脑,这样λ= 1μm周围的能带隙的谎言,这是砷化镓/ InGaAs量子点的发射波长杨继金和Takagahara[我们感兴趣28]。相应的r和一个被发现是r= 0.13μm,一个= 0.36μm,这样r /一个= 0.361常规的空气孔。此外,优化H1腔的Q值,我们删除了中央空调洞,转向下一个最近的空气由Δ洞外。这个Δ相同的输入和输出腔和±0.1之间变化一个。优化结构传输效率高,低的相声,低通道分离和低足迹,角色等几个参数是系统研究、空气孔的大小输入H1腔、波导、输出H1腔以及所有这些标记在图2。在图2不同大小的孔,不同的颜色。

通过系统调查所有个人电脑参数进行了优化。我们开始的参数输入腔(r₁,一个₁)其次是优化的参数输出腔(r₂,一个₂)。波导是由删除一行的空气孔,然后附近的空气孔半径变化形成了线缺陷即。,有效地优化波导宽度,紧随其后的是优化波导长度。最后耦合效率是增强通过修改冰层的标有“h。“PC的六角对称是通过创建Y-waveguides原状与角间距是60°的整倍数。最大早些时候报道当cavity-waveguide耦合腔波导和面向60°彼此这样腔和波导的损耗反面的(23]。在我们的例子中,同时保留六角晶格几何,我们优化结构参数包括空气孔的半径明显“h”实现高度耦合。最后优化r₁,r₂w₁w₂w₃和h是通过不同的参数从0.38到1.15 r。优化的参数和相应的传输效率r= 130海里,一个= 360 nm附录中列出下表a1a3。

最高的主共振μm品质因数在1.004。电场剖面在不同高度的共振图所示3得了。图3显示字段的中心150纳米厚的砷化镓的电影。图3 b显示了电场剖面高度400 nm砷化镓薄膜上面显示垂直耦合。电场资料在中央腔(放大图3)如图3 c。除了这个主共振,有6更多的这种结构共振发现。透射谱以及电场资料在其他共振图所示4 g。共振是标记在图4(1)λ= 945海里,(2)λ= 985海里,(3)λ= 1004海里,(4)λ= 1009海里,(5)λ= 1059海里,(6)λ= 1072海里,(7)λ= 1086海里。电场资料(数据4 b-g)清楚地表明,并不是所有的共振适合分流功能。所以,根据现场资料和计算效率我们选择一个特定的共振为特定的功能。

而设计一个6-way信号分离器/分束器我们没有修改的每个独立波导尺寸,相反,我们把他们分成两组,从对方的角度60°如图2(采用不同的配色方案显示两组的波导参数w₁,和w₂是多种多样的,以达到期望的functionality-DEMUX或分流器)。

可以看出随着腔大小减少(即。,随着半径r₁r₂增加)或作为波导缩小(w_1/2/3增加)有一个共振的蓝移。优化波导长度(l_工作组)是2.52μ米。腔的耦合漏水的模式会导致辐射损失。图3概要文件显示了计算电场在不同位置,表面上方的水晶以及水晶,可以使用近场光学扫描显微镜实验研究。

在研究共振我们已经跨越了一个广泛的频率(0.9 - -1.15μm,如图4),可以观察到不同的共振。然而,共振附近1μm选择,匹配与ina QD发射的结构设计(29日]。例如,一个我家的分光器显示良好的耦合在λ= 1.004,1.009,和1.072μm如图3,4 d, f,分别。然而,λ= 1.004μm显示了耦合效率最高,因此而不选择其他两个共振。

环形耦合器

有效的耦合场以最小极化变形为实际使用的设计也很重要。对这一点,我们优化环每个波导耦合器的尽头。图1 d的示意图显示环从PC波导耦合器两光平面的晶体。3环的环耦合器由一个音高,λ/ (2 n)~ 140 nm(λ~ 955 nm, n_砷化镓= 3.4)的环形耦合器是抵消输出端口波导的λ/ (2 n)(27)所示的图的示意图1 d。FDTD)被用来验证环形耦合器的散射特性。图5情节电场共振的概要,阐述了耦合光在z方向表面上方不同高度。耦合效率是由比较平面电场强度在环形耦合器的输入腔。环形耦合器的耦合效率(计算表面的衬底)端口1和2(标记图1 d)分别为8.4和24.8%。耦合器的耦合效率取决于环参数,环厚度、气隙分离环。

虽然设计提供最小的足迹报告到目前为止对多路分配器或分裂功能,几乎实现这些结构的挑战是能够将量子点(光源是一个偶极子源输入腔)中央腔内的字段最大值点。一种方法将QD的中心腔是使用原子力显微镜(AFM)提示选择一个胶体QD并将其在所需的位置。然而,这样的QD定位方法是随机和需要检查存在的发光QD在所需的位置。出平面散射以及平面散射损失的来源在PC结构。此外,输入和输出耦合损失和散射由于不均匀性在装配式结构的孔大小和形状限制PC结构的效率。

结论

我们建议使用不同的谐振模式耦合cavity-waveguide结构在砷化镓/在/砷化镓QD晶片实现2 -,3 -和6-way光学信号分离器和分配器。结构优化通过详细的数值模拟研究依赖的气孔尺寸输入腔输出腔和波导参数。结构设计有前途的78μm的一个非常小的足迹²小得多的比那些报道,到目前为止。这些结构的优点是易于制造、宽的光谱范围通过修改结构参数,传动功率高。这些都是适用于远场激发量子点放置在输入腔和耦合发射各种渠道波导耦合输出蛀牙。因此,这些适用于量子信息的研究。

作者的贡献

弗吉尼亚州构思的想法。RG和BN的模拟。弗吉尼亚州,RG, BN,讨论了结果和准备手稿。

利益冲突声明

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

科技部,印度政府对金融支持通过授予数量RG SR / WOS-A / ET - 86/2013。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2018.00152/full补充材料

引用