ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 1,3 МКМ В ДВУМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ НА ОСНОВЕ GaAs С КОНФИГУРАЦИЕЙ ВОЛНОВОД–МИКРОРЕЗОНАТОР
Аннотация
Фотонные кристаллы – это полупроводниковые структуры, которые характеризуются периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве с периодом, соизмеримым с длиной волны электромагнитного излучения. Интерес к ним обусловлен как важностью фундаментальных исследований взаимодействия света с веществом, так и перспективами применения фотонных кристаллов в оптических интегральных схемах и компонентах оптоэлектроники нового поколения. В данной работе представлены результаты исследования закономерностей распространения электромагнитного излучения с длиной волны 1,3 мкм в двумерных фотонных кристаллах на основе арсенида галлия (GaAs). Исследование основано на численной модели в программном пакете Comsol Multiphysics 6.1 и включает анализ распределения напряженности электрического поля в сложных фотонно-кристаллических структурах, состоящих из волновода и связанной с ним гексагональной микрополости (микрорезонатора) с различными геометрическими параметрами. Также проанализировано влияние радиуса дефекта, намеренно внесенного в область волновода, на эффективность передачи излучения в область резонатора. Для численного анализа использовались методы моделирования распространения поперечных электрических волн в двумерных фотонных кристаллах с гексагональной решеткой воздушных отверстий. Геометрические параметры базовой структуры фотонного кристалла оставались постоянными: радиус воздушных отверстий составлял 209 нм, период решетки – 520 нм. Волновод формировался путем удаления одного из рядов воздушных отверстий, а микрорезонатор создавался путем формирования воздушной полости гексагональной формы вблизи волновода. Для повышения эффективности связи между волноводом и резонатором в структуру был внедрен дефект – воздушное отверстие с переменным радиусом. Анализ показал, что максимальная локализация электромагнитного поля в гексагональной полости с диаметром 1,65 мкм достигается при удалении ее от волновода на два ряда воздушных отверстий. При увеличении этого расстояния наблюдается снижение интенсивности поля в пределах резонатора. Введение дефекта позволило значительно повысить эффективность передачи энергии из волновода в резонатор. Наибольшая интегральная напряженность электрического поля в области резонатора наблюдалась при радиусе дефекта в диапазоне от 246 до 290 нм. Полученные данные могут быть использованы при разработке компактных оптических устройств, таких как лазеры, модуляторы и переключатели на основе фотонных кристаллов
Список литературы
1. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Phys. Rev. Lett. – 1987. – Vol. 58, No. 20. – P. 2059-2062.
2. Dyachenko P.N., Miklyaev Y. V., Dmitrienko V.E. Three-dimensional photonic quasicrystal with a complete band gap // JETP Lett. – 2007. – Vol. 86, No. 4. – P. 240-243.
3. Tamer A. Moniem. All-optical XNOR gate based on 2D photonic-crystal ring resonators // Quantum Electron. – 2017. – Vol. 47, No. 2. – P. 169-172.
4. Liu W. et al. 3-D Printed Directional Couplers in Circular Waveguide // IEEE Microw. Wirel. Components Lett. – 2021. – Vol. 31, No. 6. – P. 561-564.
5. Xiong Y. et al. Photonic Crystal Circular Defect (CirD) Laser // Photonics. – 2019. – Vol. 6, No. 2.
– P. 54.
6. Zheltikov A.M. Nonlinear optics of microstructure fibers // Uspekhi Fiz. Nauk. – 2004. – Vol. 174,
No. 1. – P. 73.
7. Sychov M.D. et al. Substantiation Study of Using Immobilized Cytostatics in Management of Tumors with Peritoneal Canceromatosis // Vestn. Exp. Clin. Surg. – 2015. – Vol. 8, No. 1. – P. 82-86.
8. Hassan S., Chack D., Pavesi L. High extinction ratio thermo-optic based reconfigurable optical logic gates for programmable PICs // AIP Adv. – 2022. – Vol. 12, No. 5.
9. Olyaee S., Naraghi A., Ahmadi V. High sensitivity evanescent-field gas sensor based on modified photonic crystal fiber for gas condensate and air pollution monitoring // Optik (Stuttg). – 2014.
– Vol. 125, No. 1. – P. 596-600.
10. Salmanpour A., Mohammadnejad S., Omran P.T. All-optical photonic crystal NOT and OR logic gates using nonlinear Kerr effect and ring resonators // Opt. Quantum Electron. – 2015. – Vol. 47, No. 12.
– P. 3689-3703.
11. Pan G. et al. Harnessing the capabilities of VCSELs: unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems // Light Sci. Appl. – 2024. – Vol. 13, No. 1. – P. 229.
12. Sun Xiao-Wen et al. Design and analysis of logic NOR, NAND and XNOR gates based on interference effect // Quantum Electron. – 2018. – Vol. 48, No. 2. – P. 178-183.
13. Welch D.F. et al. High power, AlGaAs buried heterostructure lasers with flared waveguides // Appl. Phys. Lett. – 1987. – Vol. 50, No. 5. – P. 233-235.
14. Babichev A.V. et al. Heterostructures of Quantum-Cascade Lasers Based on Composite Active Regions // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. – 2023. – Vol. 87, No. 6. – P. 839-844.
15. Tuchin V.V., Skibina J.S., Malinin A.V. Photonic crystal fibers in biophotonics / ed. Popp J. – 2011.
– P. 83110N.
16. Shekari Firouzjaei A., Salman Afghahi S., Ebrahimi Valmoozi A.-A. Emerging Trends, Applications, and Fabrication Techniques in Photonic Crystal Technology // Recent Advances and Trends in Photonic Crystal Technology. – IntechOpen, 2024.
17. Dinodiya S., Bhargava A. A Comparative Analysis of Pressure Sensing Parameters for Two Dimensional Photonic Crystal Sensors Based on Si and GaAs // Silicon. – 2022. – Vol. 14, No. 9.
– P. 4611-4618.
18. Butt M.A., Khonina S.N., Kazanskiy N.L. A highly sensitive design of subwavelength grating double-slot waveguide microring resonator // Laser Phys. Lett. – 2020. – Vol. 17, No. 7. – P. 076201.
19. Brès C.-S. et al. Supercontinuum in integrated photonics: generation, applications, challenges, and perspectives // Nanophotonics. – 2023. – Vol. 12, No. 7. – P. 1199-1244.
20. García de Arquer F.P. et al. Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges // Science (80-. ). – 2021. – Vol. 373, No. 6555. – P. 640.
21. Gorelik V.S. et al. Three-dimensional quantum photonic crystals and quantum photonic glasses // Russ. J. Gen. Chem. – 2013. – Vol. 83, No. 11. – P. 2125-2131.
22. Горбацевич А.А., Фриман А.В., Горелик B.C. Двумерный гексагональный фотонный кристалл с новой геометрией элемента // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2014. – Т. 6. – С. 37-38.
REFERENCES
1. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics, Phys. Rev. Lett., 1987, Vol. 58, No. 20, pp. 2059-2062.
2. Dyachenko P.N., Miklyaev Y. V., Dmitrienko V.E. Three-dimensional photonic quasicrystal with a complete band gap, JETP Lett., 2007, Vol. 86, No. 4, pp. 240-243.
3. Tamer A. Moniem. All-optical XNOR gate based on 2D photonic-crystal ring resonators, Quantum Electron, 2017, Vol. 47, No. 2, pp. 169-172.
4. Liu W. et al. 3-D Printed Directional Couplers in Circular Waveguide, IEEE Microw. Wirel. Components Lett., 2021, Vol. 31, No. 6, pp. 561-564.
5. Xiong Y. et al. Photonic Crystal Circular Defect (CirD) Laser, Photonics, 2019, Vol. 6, No. 2, pp. 54.
6. Zheltikov A.M. Nonlinear optics of microstructure fibers, Uspekhi Fiz. Nauk, 2004, Vol. 174, No. 1, pp. 73.
7. Sychov M.D. et al. Substantiation Study of Using Immobilized Cytostatics in Management of Tumors with Peritoneal Canceromatosis, Vestn. Exp. Clin. Surg., 2015, Vol. 8, No. 1, pp. 82-86.
8. Hassan S., Chack D., Pavesi L. High extinction ratio thermo-optic based reconfigurable optical logic gates for programmable PICs, AIP Adv., 2022, Vol. 12, No. 5.
9. Olyaee S., Naraghi A., Ahmadi V. High sensitivity evanescent-field gas sensor based on modified photonic crystal fiber for gas condensate and air pollution monitoring, Optik (Stuttg), 2014, Vol. 125, No. 1, pp. 596-600.
10. Salmanpour A., Mohammadnejad S., Omran P.T. All-optical photonic crystal NOT and OR logic gates using nonlinear Kerr effect and ring resonators, Opt. Quantum Electron, 2015, Vol. 47, No. 12,
pp. 3689-3703.
11. Pan G. et al. Harnessing the capabilities of VCSELs: unlocking the potential for advanced integrated photonic devices and systems, Light Sci. Appl., 2024, Vol. 13, No. 1, pp. 229.
12. Sun Xiao-Wen et al. Design and analysis of logic NOR, NAND and XNOR gates based on interference effect, Quantum Electron, 2018, Vol. 48, No. 2, pp. 178-183.
13. Welch D.F. et al. High power, AlGaAs buried heterostructure lasers with flared waveguides, Appl. Phys. Lett., 1987, Vol. 50, No. 5, pp. 233-235.
14. Babichev A.V. et al. Heterostructures of Quantum-Cascade Lasers Based on Composite Active Regions, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., 2023, Vol. 87, No. 6, pp. 839-844.
15. Tuchin V.V., Skibina J.S., Malinin A.V. Photonic crystal fibers in biophotonics, ed. Popp J., 2011,
pp. 83110N.
16. Shekari Firouzjaei A., Salman Afghahi S., Ebrahimi Valmoozi A.-A. Emerging Trends, Applications, and Fabrication Techniques in Photonic Crystal Technology, Recent Advances and Trends in Photonic Crystal Technology. IntechOpen, 2024.
17. Dinodiya S., Bhargava A. A Comparative Analysis of Pressure Sensing Parameters for Two Dimensional Photonic Crystal Sensors Based on Si and GaAs, Silicon, 2022, Vol. 14, No. 9, pp. 4611-4618.
18. Butt M.A., Khonina S.N., Kazanskiy N.L. A highly sensitive design of subwavelength grating double-slot waveguide microring resonator, Laser Phys. Lett., 2020, Vol. 17, No. 7, pp. 076201.
19. Brès C.-S. et al. Supercontinuum in integrated photonics: generation, applications, challenges, and perspectives, Nanophotonics, 2023, Vol. 12, No. 7, pp. 1199-1244.
20. García de Arquer F.P. et al. Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges, Science (80-. ), 2021, Vol. 373, No. 6555, pp. 640.
21. Gorelik V.S. et al. Three-dimensional quantum photonic crystals and quantum photonic glasses, Russ. J. Gen. Chem., 2013, Vol. 83, No. 11, pp. 2125-2131.
22. Gorbatsevich A.A., Friman A.V., Gorelik B.C. Dvumernyy geksagonal'nyy fotonnyy kristall s novoy geometriey elementa [Two-dimensional hexagonal photonic crystal with new element geometry], Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN [Brief communications on physics of the Lebedev Physical Institute], 2014, Vol. 6, pp. 37-38.
