Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-6-892-898
УДК 535.41
Еланская К.Г., Сидоров А.И.
Оптимизация геометрии двумерного фотоннокристаллического волновода для телекоммуникационных применений и сенсорики
Оптимизация геометрии двумерного фотоннокристаллического волновода для телекоммуникационных применений и сенсорики
Читать статью полностью
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Еланская К.Г., Сидоров А.И. Оптимизация геометрии двумерного фотонно кристаллического волновода для телекоммуникационных применений и сенсорики // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 6. С. 892–898. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-6-892-898
Аннотация
Введение. Представлены результаты оптимизации геометрии двумерного фотоннокристаллического волновода с целью минимизации оптических потерь и стабилизации волноводных мод. Без учета поглощения основным фактором, приводящим к уменьшению пропускания фотоннокристаллического волновода, является возникновение брэгговского отражения. Брэгговское отражение может быть снижено путем уменьшения областей перекрытия участков фотонного кристалла с высоким показателем преломления и волноводом на границе фотонный кристалл–волновод. Для этого отверстия в фотонном кристалле на границе с волноводом могут быть изготовлены не целыми, а в виде половин отверстий. Для стабилизации волноводных мод выполнено изменение ширины волновода. Метод. Оптимизация проводилась путем численного моделирования с использованием метода конечных разностей во временной области в среде Comsol Multiphisics 5.5. Энергетическая зонная структура фотонного кристалла, окружающего волновод, вычислялась методом блоховских функций. При моделировании применена свободная треугольная сетка с качеством «extremely fine». Проведено исследование в области длин при частоте собственных значений равной 190–200 ТГц. Для решения поставленных задач использовались процедуры ARPACK FORTRAN, которые работают на основе итерации Арнольди. Основные результаты. Показано, что изменение геометрии фотоннокристаллического волновода на границе фотонный кристалл–волновод позволяет уменьшить модуляцию эффективного показателя преломления и за счет этого снизить брэгговское отражение от волновода. Расчеты показали, что примененная геометрическая оптимизация фотоннокристаллического волновода позволяет уменьшить брэгговское отражение в 1,75 раз. Установлено, что потери фотоннокристаллического волновода, в данном случае, не превышают 0,4 дБ/см. Показано, что уменьшение диаметра отверстий в фотонном кристалле при постоянном периоде фотоннокристаллической решетки приводит к уменьшению ширины фотонной запрещенной зоны. Установлено, что в волноводе оптимальной ширины модуляция волноводной моды сохраняется, но ее амплитуда значительно уменьшается. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы при разработке интегрально-оптических устройств для телекоммуникаций и сенсорики с малыми оптическими потерями.
Ключевые слова: фотонный кристалл, волновод, фотонная запрещенная зона, телекоммуникации, сенсорика
Благодарности. Работа выполнена при поддержке программой «Приоритет 2030»
Список литературы
Благодарности. Работа выполнена при поддержке программой «Приоритет 2030»
Список литературы
- Joannopoulos J.D., Meade R.D., Winn J.N. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. Princeton: Princeton Academic Press, 1995. 304 p.
- Kakimi R., Fujita M., Nagai M., Ashida M., Nagatsuma T. Capture of a terahertz wave in a photonic-crystal slab // Nature Photonics. 2014. V. 8. N 8. P. 657–663. https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.150
- Fujita M., Nagatsuma T. Photonic crystal technology for terahertz system integration // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9856. P. 98560P. https://doi.org/10.1117/12.2225151
- SchillingJ., Müller F., Matthias S., Wehrspohn R.B., Gösele U., Busch K. Three-dimensional photonic crystals based on macroporous silicon with modulated pore diameter // Applied Physics Letters. 2001. V. 78. N 9. P. 1180–1182. https://doi.org/10.1063/1.1351533
- Birner A., Wehrspohn R.B., Gösele U.M., Busch K. Silicon-based photonic crystals // Advanced Materials. 2001. V. 13. N 6. P. 377–388.https://doi.org/10.1002/1521-4095(200103)13:6<377::AID-ADMA377>3.0.CO;2-X
- Noda S., Tomoda K., Yamamoto N., Chutinan A. Full three-dimensional photonic bandgap crystals at near-infrared wavelengths // Science. 2000.V. 289. N 5479. P. 604–606. https://doi.org/10.1126/science.289.5479.604
- Blanco A., Chomski E., Grabtchak S., Ibisate M., John S., Leonard S.W., Lopez C., Meseguer F., Miguez H., Mondia J.P., Ozin G.A., Toader O., Van Driel H.M. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres // Nature. 2000. V. 405. N 6785. P. 437–440. https://doi.org/10.1038/35013024
- Jamois C., Wehrspohn R.B., Andreani L.C., Hermannd C., Hess O., Gösele U. Silicon-based two-dimensional photonic crystal waveguides // Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications. 2003. V. 1. N 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.photonics.2003.10.001
- Kafesaki M., Soukoulis C.M., Agio M. Losses and transmission in two-dimensional slab photonic crystals // Journal of Applied Physics. 2004. V. 96. N 8. P. 4033–4038. https://doi.org/10.1063/1.1790068
- Johnson S.G., Fan S., Villeneuve P.R., Joannopoulos J.D., Kolodziejski L.A. Guided modes in photonic crystal slabs // Physical Review B. 1999. V. 60. N 8. P. 5751–5758. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.5751
- Villeneuve P.R., Fan S., Johnson S.G., Joannopoulos J.D. Three-dimensional photon confinement in photonic crystals of low-dimensional periodicity // IEE Proceedings – Optoelectronics. 1998. V. 145. N 6. P. 384–390. https://doi.org/10.1049/ip-opt:19982467
- Olivier S., Benisty H., Rattier M., Weisbuch C., Qiu M., Karlsson A., Smith C.J.M., Houdre R., Oesterle U. Resonant and nonresonant transmission through waveguide bends in a planar photonic crystal // Applied Physics Letters. 2001. V. 79. N 16. P. 2514–2516. https://doi.org/10.1063/1.1410338
- Massaro A. Photonic Crystals: Introduction, Applications and Theory. Intech Open, 2012. 358 p.
- Benmerkhi A., Bounouioua A., Bouchemat M., Bouchemat T. Analysis of a photonic crystal temperature sensor based on Z-shaped ring resonator // Optics and Quantum Electronics. 2021 V. 53. N 1. P. 41.https://doi.org/10.1007/s11082-020-02730-w
- Ghosh R., Ghosh K.K., Chakraborty R. High resolution wide range pressure sensor using hexagonal ring and micromachined cantilever tips on 2D silicon photonic crystal // Optics Communications. 2019. V. 431. P. 93–100. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.09.016
- Zaky Z.A., Ahmed A.M., Shalaby A.S., Aly A.H. Refractive index gas sensor based on the Tamm state in a one-dimensional photonic crystal: theoretical optimisation // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 9736. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66427-6
- Podder E., Hossain M.B., Jibon R.H., Bulbul A.A.-M., Mondal H.S. Chemical sensing through photonic crystal fiber: sulfuric acid detection // Frontiers of Optoelectronics. 2019. V. 12. N 4. P. 372–381. https://doi.org/10.1007/s12200-019-0903-8
- Miyan H., Agrahari R., Gowre S.K., Mahto M., Jain P.K. Computational study of a compact and high sensitive photonic crystal for cancer cells detection // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. N 4. P. 3298–3305. https://doi.org/10.1109/jsen.2022.3141124
- Sullivan D.M.Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method. New York: Willey-IEEE Press, 2013. 192 p. https://doi.org/10.1002/9781118646700
- Okamoto K. Fundamentals of Optical Waveguides / 2nd ed. New York: Academic Press, 2006. 561 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-525096-2.X5000-4
