Способ достижения магнето-индуцированной невзаимности в резонансных кремниевых волноводах при нарушении их зеркальной симметрии

Ссылка для цитирования:

Юхтанов Н.Г., Рыбин М.В. Способ достижения магнето-индуцированной невзаимности в резонансных кремниевых волноводах при нарушении их зеркальной симметрии // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 124–134. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-124-134

Iukhtanov N.G., Rybin M.V. Method for achieving magneto-induced non-reciprocity in resonant silicon waveguides when their mirror symmetry is violated [in Russian] // Optickhesii Zhurnal. 2024. V. 91. № 3. P. 124–134. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-124-134

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Невзаимные элементы для сдвига фазы на чипе на основе резонансных кремниевых волноводов с приложенным магнитным полем перпендикулярно плоскости чипа. Цель работы. Разработка способа достижения магнето-индуцируемой невзаимности в резонансных кремниевых волноводах за счет некомпенсированного в объеме интегрального поперечного вращения электрических полей посредством нарушения зеркальной симметрии волноводов и приложенного внешнего магнитного поля в геометрии Фойгта. Метод. Нарушая зеркальную симметрию волноводов, наблюдается эффект поперечного вращения электрических полей рабочих мод. В дальнейшем, прикладывая магнитное поле в геометрии Фойгта, накапливается невзаимная фаза при распространении оптического излучения через волновод, которая рассчитывается с использованием стационарной теории возмущений. Основные результаты. В работе предложены три дизайна кремниевых волноводов с нарушенной зеркальной симметрией с целью создания компактных магнето-индуцируемых элементов для сдвига фазы, интегрированных на чип. В результате моделирования собственных мод волноводов в программе COMSOL Multyphysics получены эффективные показатели интегрального поперечного вращения электрических полей в одну сторону в кремниевых волноводах, которые позволяют сворачивать волноводы в змеевидную форму на чип с площадью менее 1 мм² по оценкам авторов. Практическая значимость. Такие наноструктуры основаны на коммерчески доступных пластинах «кремний на изоляторе» со стандартной высотой 220 нм. Змеевидное сгибание изучаемых волноводов позволяет использовать их в качестве невзаимных элементов для сдвига фазы. Ожидается простая интеграция предлагаемых элементов в оптоэлектронные схемы благодаря совместимости со стандартной электронной технологией «комплементарная структура металл–оксид–полупроводник». Более того, предлагаемая технология предполагает использование недорогих неодимовых магнитов для создания внешнего магнитного поля, что позволяет достичь невысокой стоимости устройств.

Ключевые слова:

резонансные волноводы, фотонные интегральные схемы, магнето-индуцированная невзаимность, элемент для сдвига фазы, фотонный кристалл

Благодарность:

работа поддержана Российским научным фондом, проект № 21-19-00677

Коды OCIS: 230.0230

Список источников:

1. Absil P.P., Verheyen P., De Heyn P., et al. Silicon photonics integrated circuits: a manufacturing platform for high density, low power optical I/O’s // Optics Express. 2015. V. 23. № 7. P. 9369–9378. https://doi.org/10.1364/OE.23.009369

2. Dongdong Yin, Xiaohong Yang, Tingting He, et al. InGaAs/InAlAs avalanche photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguide circuits (Лавинные фотодетекторы на основе InGaAs/InAlAs, интегрированные с волноводными структурами «кремний на изоляторе») [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 5. С. 80–85.

Dongdong Yin, Xiaohong Yanlg, Tingting He, et al. InGaAs/InAlAs avalanche photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguide circuits // J. Opt. Technol. 2017. V. 84. P. 350‒354. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000350

3. Stadler B.J.H., Mizumoto T. Integrated magnetooptical materials and isolators: A review // IEEE Photonics Journal. 2013. V. 6. № 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2293618

4. Shoji Y., Mizumoto T. Silicon waveguide optical isolator with directly bonded magneto-optical garnet // Applied Sciences. 2019. V. 9. № 3. P. 609. https://doi.org/10.3390/app9030609

5. Zhang Y., Du Q., Wang C., et al. Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics // Optica. 2019. V. 6. № 4. P. 473– 478. https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000473

6. Stadler B.J.H., Gopinath A. Magneto-optical garnet films made by reactive sputtering // IEEE Trans. on Magnetics. 2000. V. 36. № 6. P. 3957–3961. https://doi.org/10.1109/20.914347

7. Stadler B.J.H., Vaccaro K., Yip P., et al. Integration of magneto-optical garnet films by metal-organic chemical vapor deposition // IEEE Trans. on Magnetics. 2002. V. 38. № 3. P. 1564–1567. https://doi.org/10.1109/20.999132

8. Lira H., Yu Z., Fan S., Lipson M. Electrically driven nonreciprocity induced by interband photonic transition on a silicon chip // Physical Review Letters. 2012. V. 109. № 3. P. 033901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.033901

9. Kittlaus E.A., Weigel P.O., Jones W.M. Low-loss nonlinear optical isolators in silicon // Nature Photonics. 2020. V. 14. № 6. P. 338–339. https://doi.org/10.1038/s41566-020-0640-y

10. Kittlaus E.A., Jones W.M., Rakich P.T., et al. Electrically driven acousto-optics and broadband non-reciprocity in silicon photonics // Nature Photonics. 2021. V. 15. № 1. P. 43–52. https://doi.org/10.1038/s41566-020-00711-9

11. Petrov A.Y., Jalas D., Krause M., et al. Nonreciprocal silicon waveguides and ring resonators with gyrotropic cladding // 7th IEEE Internat. Conf. Group IV Photonics. Beijing, China. September 1–3, 2010. P. 234–236. https://doi.org/10.1109/GROUP4.2010.5643368

12. Jalas D., Hakemi N., Cherchi M., et al. Faraday rotation in silicon waveguides // 2017 IEEE 14th Internat. Conf. Group IV Photonics (GFP). Berlin, Germany. August 23–25, 2017. P. 141–142. https://doi.org/10.1109/GROUP4.2017.8082236

13. Aers G.C., Boardman A.D. The theory of semiconductor magnetoplasmon-polariton surface modes: Voigt geometry // Journal of Physics C: Solid State Physics. 1978. V. 11. № 5. P. 945. https://doi.org/10.1088/0022-3719/11/5/015

14. Kushwaha M.S., Halevi P. Magnetoplasmons in thin films in the Voigt configuration // Physical Review B. 1987. V. 36. № 11. P. 5960. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.36.5960

15. Rubinstein R.Y., Kroese D.P. Simulation and the Monte Carlo method. John Wiley & Sons, 2016. 432 p.

16. Coles R.J., Price D.M., Dixon, J.E., et al. Chirality of nanophotonic waveguide with embedded quantum emitter for unidirectional spin transfer // Nature Communications. 2016. V. 7. № 1. P. 11183. https://doi.org/10.1038/ncomms11183

17. Piller H., Potter R.F. Faraday rotation near the band edge of silicon // Physical Review Letters. 1962. V. 9. № 5. P. 203. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.9.203

18. Sakurai J.J. and Napolitano J. Modern quantum mechanics (2nd ed.). Addison Wesley, 2010. 570 p.

19. Volkov I.A., Savelev R.S. Unidirectional coupling of a quantum emitter to a subwavelength grating waveguide with an engineered stationary inflection point // Physical Review B. 2021. V. 104. № 24. P. 245408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.245408

20. Lee K.K., Lim D.R., Kimerling L.C., et al. Fabrication of ultralow-loss Si/SiO₂ waveguides by roughness reduction // Optics Letters. 2001. V. 26. № 23. P. 1888–1890. https://doi.org/10.1364/OL.26.001888

21. Vlasov Y.A., McNab S.J. Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends // Optics Express. 2004. V. 12. № 8. P. 1622–1631. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.001622

22. Кузнецов И.В., Перин А.С. Исследование характеристик электрооптического модулятора в конфигурации интерферометра Маха–Цендера на основе тонких плёнок ниобата лития // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 68–77. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-68-77

Kuznetsov I.V., Perin A.S. Mathematical modeling of the parameters of an electro-optic modulator in the Mach–Zehnder interferometer configuration based on thin lithium niobate films // J. Opt. Technol. 2023. V. 90. P. 93–97. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000093