Оптимизация распространения мод для излучателя оптических вихревых пучков на основе микрокольцевого резонатора

Обложка

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 wring_wvg=400 нм. 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 wfeed_wvg=340 нм, 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 Aring была использована методика, описанная в работе [4]. Чтобы определить амплитудный коэффициент передачи кольцевого волновода Tring мы моделируем ¼ часть кольца Tqring, а затем полученное значение возводим в четвертую степень.

Таким образом, условие критической связи для излучателя ОУМ может быть выражено как:

t=Tqring4

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 wfeed_wvg=370 нм, 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, Уфа

Григорий 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, Уфа

Владимир 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, Уфа

Иван Васильевич Степанов

Уфимский университет науки и технологий

Email: stepanov.iv@ugatu.su

инженер-исследователь НИЛ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники»

Россия, Уфа

Руслан 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, Уфа

Елизавета 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, Уфа

Валерий Х. Багманов

Уфимский университет науки и технологий

Email: bagmanov.v@rambler.ru

д.т.н., профессор кафедры ТС 

Россия, Уфа

Список литературы

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Integrated compact optical vortex beam emitters / X. Cai [et al.] // Science. 2012. Vol. 338, no. 6105. P. 363–366.
  11. 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.
  12. 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.
  13. An InP-based vortex beam emitter with monolithically integrated laser / J. Zhang [et al.] // Nature Communications. 2018. Vol. 9, no 1. P. 2652.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Micro-ring resonator-based tunable vortex beam emitter / L.I. Bakirova [et al.] // Micromachines. 2023. Vol. 15, no. 1. P. 34.
  18. Acharyya N., Kozyreff G. Large Q factor with very small whispering-gallery-mode resonators // Physical Review Applied. 2019. Vol. 12, no. 1. P. 014060.
  19. 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.
  20. 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

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рисунок 1. Распределение мощности в кольцевом волноводе шириной  400 нм: а) в центре отверстия; б) между отверстиями.

Скачать (330KB)
3. Рисунок 2. Распределение мощности в кольцевом волноводе шириной 500 нм: а) в центре отверстия; б) между отверстиями.

Скачать (379KB)
4. Рисунок 3. Изменение коэффициента передачи для МКР_2 в зависимости от: а) ширины подводящего волновода; б) угла изгиба подводящего волновода.

Скачать (343KB)
5. Рисунок 4. Вид сверху: а) МКР_1; б) МКР_2

Скачать (201KB)
6. Табл. 2_1

Скачать (121KB)
7. Табл. 2_2

Скачать (134KB)
8. Табл. 2_3

Скачать (136KB)
9. Табл. 2_4

Скачать (108KB)
10. Табл. 2_5

Скачать (100KB)
11. Табл. 2_6

Скачать (115KB)

© Бакирова Л.И., Воронков Г.С., Любопытов В.С., Степанов И.В., Кутлуяров Р.В., Грахова Е.П., Багманов В.Х., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.