Оптимизация распространения мод для излучателя оптических вихревых пучков на основе микрокольцевого резонатора
- Авторы: Бакирова Л.И.1, Воронков Г.С.1, Любопытов В.С.1, Степанов И.В.1, Кутлуяров Р.В.1, Грахова Е.П.1, Багманов В.Х.1
-
Учреждения:
- Уфимский университет науки и технологий
- Выпуск: Том 21, № 4 (2023)
- Страницы: 29-37
- Раздел: Линии связи и волоконно-оптические технологии телекоммуникаций
- URL: https://journals.eco-vector.com/2073-3909/article/view/635124
- DOI: https://doi.org/10.18469/ikt.2023.21.4.05
- ID: 635124
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Световые пучки с орбитальным угловым моментом, обладают уникальными свойствами, которые делают их ценными для исследований и практического применения. От революции в технологиях связи до передовой микроскопии и возможностей квантовых вычислений – эти лучи продолжают стимулировать инновации и открывать новые горизонты в оптике и фотонике. В данной работе исследуется зависимость мощности потока излучения оптического вихревого пучка от геометрии излучающей структуры. В качестве излучателя оптического вихревого пучка используется микрокольцевой резонатор с периодической структурой. В нашем исследовании оптимизация ширины кольцевого волновода приводит к увеличению мощности потока излучения до 30% для резонансной длины волны 1563 нм. Чтобы проанализировать, как моды шепчущей галереи распределяются в поперечном сечении кольцевого волновода, мы увеличили ширину последнего с 400 нм до 500 нм. Предложенный подход может быть применен к излучающим микрокольцевым резонаторам в различных приложениях.
Полный текст
Введение
Микрокольцевые резонаторы (МКР) являются одним из наиболее важных и незаменимых элементов при разработке фотонных интегральных схем (ФИС) [1]. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими устройствами, таких как высокая добротность, малая занимаемая площадь, высокая эффективность и гибкость манипулирования светом, а также возможность использования в сенсорных системах [2–4]. МКР может быть использован в качестве биосенсоров для медицинской диагностики, электрооптических модуляторов, для применения в нелинейной и квантовой фотонике и т.д. [5]. Более того, МКР нашел свое применение и в области генерации структурированных лучей. В частности, это относительно простая и эффективная структура для излучения и детектирования световых пучков, несущих орбитальный угловой момент (ОУМ), и также называемых оптическими вихревыми пучками [6; 7]. Такие МКР, специально разработанные для работы с ФИС вне плоскости, способны генерировать вихревые пучки над устройством в свободном пространстве (out-of-plane) [8]. Кроме того, МКР на основе ФИС, благодаря своей компактности, могут заменить традиционные спиральные фазовые пластины и пространственные модуляторы света при генерации ОУМ в маломодовых волокнах [9].
Излучающий МКР представляет собой кольцевой волновод с элементами решетки для излучения вихревого пучка. В одном из фундаментальных исследований был предложен компактный интегральный излучатель ОУМ на основе МКР с угловыми решетками [10]. Полное внутреннее отражение света в кольцевом волноводе МКР вызывает появление мод шепчущей галереи (МШГ), что приводит к излучению вихревого пучка [11]. МШГ – это тип волн, которые могут распространяться вдоль искривленных поверхностей [12]. В работе [10], авторы используют угловую решетку, нанесенную на внутреннюю поверхность кольца, для направления вихревых пучков в свободное пространство. Световая волна рассеивается элементами решетки, и энергия частично отклоняется в направлении, где наблюдается конструктивная интерференция. Поскольку волновод изогнут в форме круга и поддерживает МШГ, то, согласно принципу Гюйгенса, волновой фронт излучаемого света должен отклоняться в азимутальном направлении φ и представлять собой спираль. Именно поэтому, такой пучок будет переносить ОУМ.
Преимущества использования МКР для излучения вихревых пучков были показаны во многих исследованиях [10; 13; 14]. МКР компактны и просты в изготовлении, в частности, на кремниевых фотонных платформах, что обеспечивает простое и экономически эффективное решение для интегрированных оптических систем [15]. Однако, при распространении вихревого пучка в свободном пространстве важно получить минимально возможный угол расходимости [16] и максимальную мощность потока излучения. В данной работе предлагается рассмотреть эффективность излучения МКР, предназначенного для генерации оптических вихревых пучков.
Оптимизация и моделирование излучателя
В нашей предыдущей работе [17] мы предложили алгоритм оптимизации излучающего МКР на основе условия критической связи. Ширина кольцевого волновода в этом случае была равна . Такие резонаторы на основе кольцевого волновода способны пропускать свет с определенным порядком OУM. Однако, для обеспечения эффективного удержания света и контроля излучения необходимо тщательно продумать ширину волновода. Увеличивая ширину кольцевого волновода, можно настроить моды резонатора таким образом, чтобы они оставались в пределах волновода и при этом обеспечивали контролируемое излучение [18]. На рисунках 1, 2 показано поперечное сечение кольцевого волновода при различной ширине от 400 нм до 500 нм. Моделирование проводилось в программе Ansys Lumerical MODE, которая позволяет анализировать направляющие структуры. Можно заметить, что при ширине кольцевого волновода 400 нм МШГ выходят с боковых сторон кольца, а при увеличении ширины до 500 нм достигается минимизация потерь.
Рисунок 1. Распределение мощности в кольцевом волноводе шириной 400 нм: а) в центре отверстия; б) между отверстиями.
Рисунок 2. Распределение мощности в кольцевом волноводе шириной 500 нм: а) в центре отверстия; б) между отверстиями.
В работе [17], мы оптимизировали параметры излучающего МКР с шириной кольцевого волновода 400 нм следующим образом: ширина подводящего волновода , угол изгиба подводящего волновода в схеме «pulley-coupling» Θ = 20° [19] (обозначим его МКР_1). Далее, используя тот же алгоритм, мы оптимизировали МКР_2 при ширине кольцевого волновода 500 нм. Для определения величины потерь во всем кольцевом волноводе была использована методика, описанная в работе [4]. Чтобы определить амплитудный коэффициент передачи кольцевого волновода мы моделируем ¼ часть кольца , а затем полученное значение возводим в четвертую степень.
Таким образом, условие критической связи для излучателя ОУМ может быть выражено как:
где t – амплитудный коэффициент передачи на сквозном порту направленного ответвителя МКР.
Мы получили следующие оптимизированные геометрические параметры для МКР_2, (рисунок 3): ширина подводящего волновода , угол изгиба подводящего волновода Θ = 55 °. Зазор между кольцевым и подводящим волноводами был выбран gap=150 нм (дальнейшее уменьшение зазора было бы сопряжено с технологическими сложностями при его изготовлении). Остальные параметры приведены в таблице 1, а вид сверху МКР_1 и МКР_2 показан на рисунке 4.
Рисунок 3. Изменение коэффициента передачи для МКР_2 в зависимости от: а) ширины подводящего волновода; б) угла изгиба подводящего волновода.
Таблица 1. Параметры МКР_1 и МКР_2
Наименование параметра | Значение | |
МКР_ 1 | МКР_ 2 | |
Ширина подводящего волновода | 3 40 нм | 3 70 нм |
Угол подводящего волновода | 20° | 5 5° |
Ширина кольцевого волновода | 400 нм | 500 нм |
Радиус кольца (средний) | 5, 5 мкм | |
Количество отверстий | 6 3 | |
Глубина отверстий | 70 нм | |
Диаметр отверстий | 1 50 нм | |
Высота кольцевого волновода (Si) | 2 20 нм | |
Толщина SiO 2 | 5 мкм | |
Толщина подложки (Si) | 2 мкм |
Рисунок 4. Вид сверху: а) МКР_1; б) МКР_2
Мы рассчитали мощность потока излучения для различных резонансных длин волн в оптимизированном МКР с помощью метода конечных разностей во времени (Finite Difference Time Domain, FDTD) в программе Ansys Lumerical 2020 R2.4. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2. Распределение интенсивности в зависимости от ширины кольцевого волновода
1) Длина волны, нм 2) Мощность потока излучения (a.e.) 3) Порядок ОУМ | Распределение интенсивности на расстоянии 5 мкм (МКР_1) | 1) Длина волны, нм 2) Мощность потока излучения (a.e.) 3) Порядок ОУМ | Распределение интенсивности на расстоянии 5 мкм (МКР_2) |
1) 1529,64 2) 33,06 3) 13 | 1) 1529,25 2) 40,43 3) 8 | ||
1) 1545,99 2) 33,78 3) 14 | 1) 1546,39 2) 38,903 3) 9 | ||
1) 1562,7 2) 25,11 3) 15 | 1) 1563,93 2) 36,919 3) 10 |
Видно, что при ширине кольцевого волновода 400 нм пучок, переносящий ОУМ, расходится очень быстро. При ширине кольцевого волновода 500 нм мы уменьшили выход энергии с боковых сторон кольцевого волновода, направив луч вертикально вверх. В работе [20] авторы предлагают интегрировать металлические зеркала под кремниевую пленку для повышения эффективности оптической мощности. Чтобы минимизировать угол расхождения и повысить эффективность излучения оптического вихревого пучка, в исследовании используется отражающий элемент. Он отражает распространяющиеся компоненты, излучаемые на подложку, обратно в воздух. Отраженный луч далее интерферирует с исходным лучом, формируя вихревой пучок с высокой эффективностью. В нашей работе мы рассмотрели возможность увеличения мощности потока излучения и уменьшения угла расходимости за счет оптимизации геометрических параметров кольца.
Заключение
Мы исследовали влияние ширины кольцевого волновода на распространение мод шепчущей галереи, что, в свою очередь, влияет на мощность выходного излучения пучка. Результаты показали, что такой подход приводит к значительному увеличению мощности потока излучения, причем в ближней зоне до 30%. При этом ширина кольцевого волновода была изменена с 400 нм до 500 нм, чтобы повлиять на распределение мод шепчущей галереи в поперечном сечении волновода. Это демонстрирует потенциал предложенного метода для эффективного управления плотностью потока мощности. Такие результаты свидетельствуют о том, что метод может быть полезен в приложениях, требующих точного контроля и увеличения плотности потока мощности, например, при освещении и высокоточном зондировании с использованием микрополостей с модами шепчущей галереи.
Благодарности
Исследование выполнено в рамках работ по государственному заданию Минобрнауки России для Уфимского университета науки и технологий (соглашение № 075-03-2024-123/1 от 15.02.2024 г.) в молодежной научно-исследовательской лаборатории Евразийского научно-образовательного центра «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники».
Об авторах
Ляйсан Ильшатовна Бакирова
Уфимский университет науки и технологий
Автор, ответственный за переписку.
Email: bakirova.li@ugatu.su
младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаГригорий Сергеевич Воронков
Уфимский университет науки и технологий
Email: voronkov.gs@ugatu.su
к.т.н., доцент, доцент кафедры телекоммуникационных систем (ТС), старший научный сотрудник НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаВладимир Сергеевич Любопытов
Уфимский университет науки и технологий
Email: lyubopytov.vs@ugatu.su
к.т.н., старший научный сотрудник НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаИван Васильевич Степанов
Уфимский университет науки и технологий
Email: stepanov.iv@ugatu.su
инженер-исследователь НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаРуслан Владимирович Кутлуяров
Уфимский университет науки и технологий
Email: kutluyarov.rv@ugatu.su
к.т.н., доцент кафедры ТС, старший научный сотрудник НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаЕлизавета Павловна Грахова
Уфимский университет науки и технологий
Email: grakhova.ep@ugatu.su
к.т.н., доцент кафедры ТС, заведующая НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»
Россия, УфаВалерий Х. Багманов
Уфимский университет науки и технологий
Email: bagmanov.v@rambler.ru
д.т.н., профессор кафедры ТС
Россия, УфаСписок литературы
- Silicon photonic microring resonators: a comprehensive design-space exploration and optimization under fabrication-process variations / A. Mirza [et al.] // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2022. Vol. 41, no. 10. P. 3359–3372.
- Silicon photonic micro-ring resonators for chemical and biological sensing: a tutorial / P. Steglich [et al.] // IEEE Sensors Journal. 2022. Vol. 22, no. 11. P. 10089–10105.
- Fallahi V., Kordrostami Z., Hosseini M. Sensitivity and quality factor improvement of photonic crystal sensors by geometrical optimization of waveguides and micro-ring resonators combination // Scientific Reports. 2024. Vol. 14, no. 1. P. 2001.
- Design and modeling of a fully integrated microring-based photonic sensing system for liquid refractometry / G. Voronkov [et al.] // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 23. P. 9553.
- Bawankar Y.R., Singh A. Microring resonators based applications in silicon photonics – a review // 5th Conference on Information and Communication Technology (CICT). India, Kurnool, 2021. P. 1–6.
- Design and modeling of a photonic integrated device for optical vortex generation in a silicon waveguide / R.V. Kutluyarov [et al.] // Computer optics. 2021. Vol. 45, no. 3. P. 324–330.
- Recent advances in generation and detection of orbital angular momentum optical beams – a review / D.M. Fatkhiev [et al.] // Sensors. 2021. Vol. 21, no. 15. P. 4988.
- Wavelength-tunable vortex beam emitter based on silicon micro-ring with PN depletion diode / I.V. Stepanov [et al.] // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 3. P. 929.
- Method for determination of the principal modes in a few-mode optical fiber using a multibranch DOE / V.S. Lyubopytov [et al.] // Computer Optics. 2014. Vol. 38, no. 4. P. 727–736.
- Integrated compact optical vortex beam emitters / X. Cai [et al.] // Science. 2012. Vol. 338, no. 6105. P. 363–366.
- Whispering gallery mode optical microresonators: structures and sensing applications / L. Cai [et al.] // Physica Status Solidi (A) Applications and Materials. 2020. Vol. 217, no. 6. P. 1900825.
- Lu X., McClung A., Srinivasan K. High-Q slow light and its localization in a photonic crystal microring // Nature Photonics. 2022. Vol. 16, no. 1. P. 66–71.
- An InP-based vortex beam emitter with monolithically integrated laser / J. Zhang [et al.] // Nature Communications. 2018. Vol. 9, no 1. P. 2652.
- Radially polarized orbital angular momentum beam emitter based on shallow-ridge silicon microring cavity / R. Li [et al.] // IEEE Photonics Journal. 2014. Vol. 6, no. 3. P. 1–10.
- Jian Y.-H., Chow C.-W. Design and analysis of a compact micro-ring resonator signal emitter to reduce the uniformity-induced phase distortion and crosstalk in orbital angular momentum (OAM) division multiplexing // Optics Express. 2023. Vol. 31, no. 2. P. 810.
- Generation of E-band metasurface-based vortex beam with reduced divergence angle / H. Chung [et al.] // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, no. 1. P. 8289.
- Micro-ring resonator-based tunable vortex beam emitter / L.I. Bakirova [et al.] // Micromachines. 2023. Vol. 15, no. 1. P. 34.
- Acharyya N., Kozyreff G. Large Q factor with very small whispering-gallery-mode resonators // Physical Review Applied. 2019. Vol. 12, no. 1. P. 014060.
- Orbital angular momentum vector modes (de)multiplexer based on multimode micro-ring / S. Li [et al.] // Optics Express. 2018. Vol. 26, no. 23. P. 29895.
- Compact high-efficiency vortex beam emitter based on a silicon photonics micro-ring / S. Li [et al.] // Optics Letters. 2018. Vol. 43, no. 6. P. 1319.
Дополнительные файлы
