Circuito integrado plasmônico híbrido controlável

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9983 (2023) Citar este artigo

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Neste artigo, um circuito integrado plasmônico híbrido controlável (CHPIC) composto por nanoantena rômbica baseada em guia de onda plasmônico híbrido (HPW), divisor de feixe de polarização, acoplador, filtro e sensor foi projetado e investigado pela primeira vez. Para controlar a potência em uma porta de entrada correspondente, foi explorado um divisor de potência 1 × 3 baseado em grafeno com saída comutável. A funcionalidade de cada dispositivo foi estudada exaustivamente com base no método dos elementos finitos e as vantagens em relação ao estado da arte foram comparadas. Além disso, o efeito da conexão do CHPIC aos guias de ondas fotônicos e plasmônicos foi estudado para exibir a capacidade de vários métodos de excitação do CHPIC. Além disso, o desempenho do CHPIC proposto conectado a links de transmissão inter/intra sem fio foi investigado. O link de transmissão sem fio consiste em duas nanoantenas baseadas em HPW como transmissor e receptor com ganho e diretividade máximos de 10 dB e 10,2 dBi, respectivamente, a 193,5 THz. O CHPIC sugerido pode ser usado para aplicações como comunicação óptica sem fio e interconexões ópticas inter/intra-chip.

Os circuitos integrados fotônicos (PICs) trazem uma promessa significativa e sem precedentes para a realização de características identificáveis ​​proeminentes, como soluções ópticas escalonadas e de baixo custo em comunicação óptica sem fio, detecção, computação, filtragem, espectroscopia, direção de feixe, etc.1. A redução de escala e a integração de componentes discretos, como curvas, ressonadores de anel, divisores, acopladores, sensores e antenas, contêm novos conceitos de botões e funcionalidades que são inacessíveis em dispositivos fotônicos convencionalmente relatados2. Além disso, componentes típicos de guias de onda plasmônicos e fotônicos discretos não podem suportar simultaneamente perda de propagação ultrabaixa, funcionalidades totalmente ópticas rápidas e eficientes, e superar seus gargalos, como o requisito de limite de difração, respectivamente, o que resulta na necessidade de encontrar soluções viáveis ​​para eliminar estes questões3.

A ideia de utilizar componentes HPW é um dos facilitadores de tecnologia mais disruptivos para lidar com as limitações mais atuais, como sofrer perdas ôhmicas excessivas e facilitar os padrões funcionais dos PICs para oferecer a proposta de vários componentes discretos, o que é adequado para a miniaturização do projeto de circuitos integrados . Muitos sistemas materiais e diferentes configurações foram investigados e adotados para componentes plasmônicos híbridos de circuitos integrados4. Bons exemplos de materiais para projetar circuitos integrados plasmônicos híbridos (HPICs) ultracompactos, de banda larga e de perdas ultrabaixas incluem silício (Si)5, fosfeto de índio (InP)6, nitreto de silício (SiNx)7, arsenieto de gálio (GaAs)8 , nitreto de alumínio (AlN)9, carboneto de silício (SiC)10 e silsesquioxano de hidrogênio (HSQ) que são altamente atraentes para uma variedade de aplicações ópticas integradas11. O HSQ é amplamente utilizado para litografia por feixe de elétrons de alta resolução (EBL)12 de dispositivos fotônicos e é totalmente compatível com a maioria dos materiais e processos de fabricação. Em princípio, traz duas vantagens principais: alta densidade de integração e compatibilidade com a tecnologia complementar de semicondutores de óxido metálico (CMOS). Além disso, seu índice de refração quase idêntico facilita a adaptação do projeto existente de silício sobre isolante (SOI) e do processo de fabricação de HPICs.

Além disso, os HPWs são uma fusão de contrapartes plasmônicas e fotônicas, que fornecem confinamento ultrarresistente, comprimento de propagação de longo alcance e suportam modos plasmônicos híbridos. Portanto, eles estão revolucionando rapidamente uma ampla gama de aplicações, desde seus usos tradicionais na orientação do modo magnético transversal (TM) até campos emergentes, como direção de feixe óptico, comunicação óptica sem fio, detecção, computação, filtragem, flexão, divisão e radiação de óptica. sinais por suas funções básicas como componentes indispensáveis ​​em sistemas de comunicação óptica2,13,14.