Концепция миниатюрного полностью оптического пространственного переключателя на основе эффекта фотонного крючка

В современной «эре больших данных» серьёзная проблема заключается в осуществлении возможности передачи, коммутации и обработки больших объёмов информации. Оптическая коммутация и оптические переключатели являются ключевым элементом в передовых сетевых коммуникациях [1, 2].

Значительный рост коммуникаций данных и быстрое развитие технологии плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) создают потребность в более надёжных и гибких средствах управления сигналами. В частности, возможность оптимизации, маршрутизации и коммуникации данных оптическими методами становится критически важной. Кроме того, современные требования к микроминиатюризации устройств диктуют необходимость разработки оптических компонентов и систем «на чипе», поскольку быстрая перенастройка в режиме реального времени с использованием технологий интегральных оптических схем обеспечит энергоэффективную и прозрачную передачу и коммутацию данных с высокой скоростью (в отличие от коммутирующих схем на основе электроники, требующих управления внешним электрическим сигналом) [3]. Оптические переключатели широко используются и при тестировании оптоволоконных компонентов, и для «нейроморфных» оптических вычислений, имитирующих функции мозга при обработке и хранении информации [4].

Сегодня известны различные принципы построения оптических переключателей [1, 2, 5–9]. Распространение получили переключатели на основе зеркал или линз, которые должны поворачиваться или менять конфигурацию для переключения направления света [10– 13]. Однако они достаточно медленные. Другой класс систем включает селективные по длине волны переключатели [14– 17], которые привлекли большое внимание из-за их способности независимо маршрутизировать каналы с разными длинами волн, поскольку фотонные сети должны осуществлять мультиплексирование и маршрутизацию с использованием только оптических технологий, основываясь на свойствах оптического излучения с различными длинами волн.

Известные оптические переключатели такого типа по сути представляют собой комбинацию спек- трометра на дифракционной решётке с пространственным модулятором света [1]. Ниже в данной статье мы предлагаем новую концепцию селективного по длине волны полностью оптического переключателя на основе недавно открытых структурированных пространственно локализованных световых пучков типа фотонного крючка [18]. Эта концепция позволяет реализовать немеханический и полностью оптический переключатель «на кристалле», который изменяет направление выходного света без использования нелинейных материалов [19].

1.    Концепция оптического переключения на основе фотонного крючка

Физический принцип, на базе которого мы предлагаем осуществить бесконтактную спектрально селективную коммутацию оптических каналов, основан на эффекте генерации криволинейной фотонной струи (фотонного крючка) при распространении оптической волны через специфический дифракционный оптический элемент (диэлектрическую микрочастицу), придающую волне асимметричную фазу. В дальнейшем после того, как волна покинет частицу, искривление волнового фронта приводит к асимметрии поперечного распределения амплитуды поля и фокусировке части излучения под определённым углом к направлению падения в виде загнутой фотонной струи или фотонного крючка [18, 20]. Такая асимметрия фазы может быть достигнута несколькими способами. Один из способов состоит в использовании оптически однородной частицы, но имеющей асимметрию геометрической формы [21], или способ, использующий асимметрию освещающего пучка. Например, это может быть прямоугольная призма, цилиндр [22] или эллипсоид при боковом освещении [23], асимметричная планарная линза в форме внеосевой фазовой пластинки [24] или дифракция на угловой фазовой ступеньке [25, 26] и т.д. Другой способ получения искривлённого фотонного крючка использует геометрически симметричные частицы, но имеющие специально созданную асимметрию показателя преломления. Это так называемые Янус-частицы, получаемые путём соединения двух и более материалов с различными оптическими свойствами [27].

Важным свойством фотонного крючка для реализации, например, функции оптического переключателя, является зависимость угла искривления его плеч от длины волны облучения [18, 26]. Поэтому при определённой пространственной конфигурации фотонной микроструктуры и зон приёма можно добиться изменения уровня оптического сигнала в каждом из каналов при изменении длины волны излучения.

Рассматриваемый тип асимметричной фотонной структуры, использовавшейся в численном моделировании, представлен на рис. 1. Он представляет собой прямоугольный Янус-брусок, имеющий различные показатели преломления половинок n1 = 1,5 и n2 =2. Геометрические размеры бруска выбирались из условия получения наилучшего искривления фотонного крючка (максимальной стрелки прогиба) в диапазоне λ от 1200 нм до 2000 нм на основе результатов работы [20] и были следующими: L =9 мкм, h =4,5 мкм, d = L.

2.    Компьютерная модель оптического переключателя

Компьютерное моделирование оптического переключателя (ОП) осуществлялось на основе численного решения дифференциальных уравнений Максвелла для векторов поля в трёхмерной пространственной геометрии с помощью техники finite-differencetimedomain (FDTD), реализованной в компьютерном пакете Lumerical (ver. 8). Фотонная структура – дифракционный оптический элемент (ДОЭ) помещалась внутри трёхмерной сеточной области, которая располагалась в воздухе (показатель преломления n 0 = 1) и окружалась системой идеально поглощающих слоёв (PML) для реализации условий свободного излучения на внешних границах расчётного домена.

Рис. 1. Мезоволновый ДОЭ в форме Янус-бруска на бесконечной кварцевой подложке

Плоская оптическая волна, освещающая пластинку, распространялась в направлении волнового вектора k по нормали к подложке с ОП и для определённости имела начальную амплитуду 1 В / м и линейную поляризацию вдоль оси x . Для дискретизации области расчёта использовалась адаптивная пространственная сетка с минимальным и максимальным шагами 0,5 нм и 50 нм соответственно, обеспечивающая автоматическое сгущение сеточных ячеек в областях с большим градиентом диэлектрической постоянной. Временной шаг численной схемы в соответствии с условием Куранта составлял 0,25 фс. При этом суммарное число ячеек Йи (Yee) по всему моделируемому пространству было порядка 14 млн.

3.    Результаты моделирования

На рис. 2а, б показано двумерное распределение квадрата амплитуды (интенсивности) плоской оптической волны |E|2 при рассеянии на прямоугольном Янус-бруске, составленном из двух оптических мате- риалов с показателями преломления n1 = 1,5 и n2 =2. Как видно, исследуемая структура производит локализованную искривленную фотонную струю, имеющую наклон в сторону более массивной части частицы. Для двухкомпонентной Янус-частицы наблюдается наклон плеча фотонного крючка в сторону половинки с бóль-шим показателем преломления (n2). Данный параметр важен, поскольку определяет минимальную дистанцию, на которой возможно осуществить пространственное разделение приемных каналов заданной апертуры, а следовательно, напрямую влияет на компактность предлагаемого переключателя.

Хорошо видно, что угол изгиба у , возникающего за частицей фотонного крючка, различен. Для длины волны облучения X =1550 нм он составляет порядка 21 ° , а на X = 2000 нм имеем у® 15 ° . При размещении в плоскости z =30 мкм двух оптических приемников, обозначенных на рисунках «порт 1» и «порт 2», это обеспечивает различную амплитуду поля в каждом из каналов, т.е. их пространственную коммутацию по уровню оптического сигнала. Очевидно, что надежность срабатывания такого переключателя будет определяться величиной оптической развязки каналов, которая, в свою очередь, зависит от параметров переключающей микрочастицы и диапазона длин волн облучения.

Рис. 2. Принцип работы оптического переключателя на базе фотонного крючка: (а, б) продольное распределение усредненного квадрата амплитуды оптического поля | E |² от Янус-бруска на длинах волн переключения каналов 1 и 2 при дифракции плоской волны

Отметим, что для улучшения оптической развязки переключаемых каналов необходимо задавать входную апертуру приемных портов по размеру поперечного сечения фотонной струи. В случае мезоволно-вых ДОЭ произвольной формы характерный диаметр фотонной струи, измеренный в точке максимума ин- тенсивности, составляет порядка длины волны излучения [21, 29]. При распространении, вследствие дифракции, размер струи уширяется, поэтому в наших исследованиях диаметр приемной апертуры портов был взят 2 мкм. В дальнейшем энергия оптического поля, попавшая в приемные порты, может быть аккумулирована миниатюрным фотоприемником, например, на основе плазмонной антенны [30], и проанализирована любой дискриминаторной схемой, сравнивающей сигналы от обоих портов.

Результат такого сравнения в виде логарифма отношения энергии E 1 и E 2 , пришедшей в соответствующие порты, показан на рис. 3. Здесь приведена зависимость величины относительного энергетического пропускания ( S -параметр) S = log 10 ( E 1 / E 2 ) от длины волны облучения, где

E 12 = J | E |2 d°

^X 1,2

представляет собой интеграл от интенсивности поля по площади сечения X соответствующего приемного порта. Абсолютные экстремумы на данных кривых могут быть приписаны к альтернативным состояниям фотонного переключателя, когда преобладает сигнал S 1 от первого порта (состояние «1»), или сигнал S 1 от второго порта (состояние «2»). На рисунке такие состояния отмечены кружками разного цвета. Разность сигналов ( S 1 – S 2 ) может служить мерой оптической изоляции (развязки) каналов коммутации.

Отношение сигналов в портах

Рис. 3. Относительное энергетическое пропускание приемных портов при изменении длины волны облучения переключающей фотонной структуры в форме Янус-бруска

Как видно, оптическая изоляция может достигать 18–20 дБ, что при условии фактически мгновенной скорости срабатывания является хорошим показателем. Следует отметить, что в условиях, когда S » 0, обсуждаемый фотонный переключатель начинает функционировать как оптический разветвитель, поскольку энергия поля в обоих каналах сравнивается. При этом вследствие «открытого» характера рассматриваемого типа оптической коммутации энергопотери на разветвление будут достаточно велики. Так, для рассмотренного варианта в порт 1 приходит около 10% всей энергии излучения, распределенной в области 400 мкм².

Заметим, что вместо оптического переключателя с разделением по длине волны можно использовать переключение пространственной ориентации фотонного крючка за счет смены поляризации падающего излучения, как это было продемонстрировано в [20, 23, 29], но рассмотрение этого типа оптических переключателей выходит за рамки настоящей статьи.

Заключение

Мы показали принципиальную возможность создания полностью оптического двухканального миниатюрного коммутатора на основе эффекта фотонного крючка, реализованного на диэлектрических микроструктурах с нарушенной симметрией геометрической формы и оптических свойств. Благодаря уникальному свойству фотонного крючка изменять свой угол загиба в зависимости от длины волны светового облучения и при этом сохранять экстремальную пространственную локализацию на дистанциях, кратно превышающих дифракционную длину Рэлея, данный переключатель является хорошим кандидатом для реализации оптической коммутации в современной оптоэлектронике и миниатюрных устройствах «на чипе» без использования микро-механических систем или нелинейных материалов, и не требующего управлением электрическим сигналом, как в [31]. Наилучшая оптическая изоляция коммутируемых каналов, которую удалось достичь для переключателя с минимальными линейными размерами порядка (6 λ )³ на базе оптически контрастной Янус-частицы, составляет около 18–20 дБ в диапазоне рассмотренных коммуникационных длин волн излучения. Заметим, что проведение «полномасштабной» оптимизации характеристик оптического переключателя с учетом дисперсии свойств материалов и технологии изготовления в данной работе не предполагалось, а демонстрировалась лишь соответствующая концепция.

Отметим, что благодаря простой конструкции переключающего элемента масштаба длины волны такие высокоточные технологии 3D-печати, как SLA [33] и двухфотонная полимеризация TPP [34], могут быть использованы для изготовления рассмотренных мезомасштабных элементов, работающих в оптическом или ТГц-диапазонах [35] соответственно, что будет опубликовано в дальнейшем.

Работа выполнена в рамках программы развития ТПУ и частично поддержана РФФИ (№ 21-57-10001, 20-57-S52001) и Министерством науки и высшего образования РФ (Институт оптики атмосферы РАН им. В.Е. Зуева).