Российские физики предложили новый волновод для фотонных чипов

Миниатюризация фотонных интегральных схем остается одной из ключевых задач оптической инженерии. Основное препятствие — дифракционный предел, из-за которого свет невозможно сжать в область, существенно меньшую его длины волны. Традиционные диэлектрические волноводы не способны удерживать свет в субволновом объеме, а плазмонные структуры из золота характеризуются высокими потерями.

Ученые поставили цель найти материал и геометрию, которые позволили бы совместить сильную локализацию поля с приемлемой длиной распространения сигнала в телекоммуникационном диапазоне. «Наша цель — найти материал и геометрию, которые позволят совместить сильную локализацию поля, как в электронике, с приемлемой длиной распространения сигнала в телекоммуникационном диапазоне», — рассказал Андрей Вишневый, заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Почему оксихлорид молибдена?

Физики выбрали MoOCl₂ — вандерваальсов материал с сильно анизотропными оптическими свойствами. В одном направлении он ведет себя как металл, в другом — как диэлектрик. Это позволяет распространяться в нем гиперболическим плазмон-поляритонам — гибридным состояниям света и вещества, которые локализуют излучение эффективнее, чем плазмоны в благородных металлах. Кроме того, рабочий диапазон материала охватывает видимый свет и ближний инфракрасный, что подходит для телекоммуникаций.

Ученые разработали численную модель V-образного волновода в тонком слое MoOCl₂. Они проверили, способен ли канал удерживать и направлять свет, оценили дальность распространения и допустимый угол изгиба относительно кристаллографического направления. На основе этих данных спроектировали интерферометр Маха—Цендера, в котором световой сигнал расщепляется на два луча, затем снова объединяется, что позволяет использовать его для модуляции и переключения.

Результаты моделирования и преимущества

Моделирование показало, что V-образный волновод в MoOCl₂ проводит свет на длине волны 1550 нм на расстояние около 13,7 микрометра, при этом размеры канала составляют примерно 30 нанометров — устройство остается глубоко субволновым. По сравнению с классическими плазмонными структурами из золота ширина нового волновода уменьшилась примерно в 10 раз, а вертикальный размер — в 25 раз.

V-образная геометрия выбрана по двум причинам: она обеспечивает локализацию поля в узкой щели, снижая влияние дефектов на боковых стенках, и технологически проще формируется методом ионного травления, которое менее разрушительно для слоистых материалов. «Мы выбрали V-образную геометрию по двум причинам. Первая — электродинамическая, она обеспечивает локализацию электромагнитного поля внутри канавки за счет „стягивания” моды в узкую щель. Это минимизирует влияние дефектов на боковых стенках, в отличие от полосковых волноводов, где края сильно рассеивают сигнал. Во-вторых, технологическая — формирование канавки, например, с помощью ионного травления менее разрушительно для слоистого вандерваальсова материала, чем создание полоски с двумя вертикальными стенками. Края канавки имеют более плавный профиль и меньше рассеивают», — пояснил Кирилл Воронин, аспирант МФТИ.

Разработанный волновод имеет ограничения: распространение моды возможно только при отклонении до 10° от главного направления в кристалле, что требует плавных изгибов. В видимом диапазоне длина затухания слишком коротка, поэтому устройство эффективно только в телекоммуникационном диапазоне 1260–1625 нм.

Перспективы применения

На основе таких волноводов можно создавать сверхминиатюрные интерферометры Маха—Цендера, оптические переключатели, делители мощности, резонаторы и другие элементы фотонных интегральных схем для телекоммуникаций и оптической обработки сигналов. Возможно также применение в ультракомпактных био- и химических сенсорах из-за сильной локализации поля и чувствительности к изменениям показателя преломления у поверхности.

«Далее мы планируем изготовление прототипа методами нанолитографии и исследование его оптических параметров. Также мы хотим отработать методику нанесения такого рода канавок на ряд вандерваальсовых материалов с целью создания прототипов планарных чипов. Кроме того, нам интересно проверить возможность управления оптическим путем по одному из плеч интерферометра с помощью электрического поля для модуляции выходного сигнала», — прокомментировала Ольга Матвеева, старший научный сотрудник лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов МФТИ.

Работа находится на этапе численного моделирования. В исследовании участвовали ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Международного физического центра Доностии (Испания), Центра нейрофизики и нейроморфных технологий (Москва), Российского квантового центра и Центра исследований передовых технологий (ОАЭ). Проект поддержан Российским научным фондом (грант №24-79-00308).