Details

Предмет исследования. Невзаимные элементы для сдвига фазы на чипе на основе резонансных кремниевых волноводов с приложенным магнитным полем перпендикулярно плоскости чипа. Цель работы. Разработка способа достижения магнето-индуцируемой невзаимности в резонансных кремниевых волноводах за счет некомпенсированного в объеме интегрального поперечного вращения электрических полей посредством нарушения зеркальной симметрии волноводов и приложенного внешнего магнитного поля в геометрии Фойгта. Метод. Нарушая зеркальную симметрию волноводов, наблюдается эффект поперечного вращения электрических полей рабочих мод. В дальнейшем, прикладывая магнитное поле в геометрии Фойгта, накапливается невзаимная фаза при распространении оптического излучения через волновод, которая рассчитывается с использованием стационарной теории возмущений. Основные результаты. В работе предложены три дизайна кремниевых волноводов с нарушенной зеркальной симметрией с целью создания компактных магнето-индуцируемых элементов для сдвига фазы, интегрированных на чип. В результате моделирования собственных мод волноводов в программе COMSOL Multyphysics получены эффективные показатели интегрального поперечного вращения электрических полей в одну сторону в кремниевых волноводах, которые позволяют сворачивать волноводы в змеевидную форму на чип с площадью менее 1 мм{2} по оценкам авторов. Практическая значимость. Такие наноструктуры основаны на коммерчески доступных пластинах "кремний на изоляторе" со стандартной высотой 220 нм. Змеевидное сгибание изучаемых волноводов позволяет использовать их в качестве невзаимных элементов для сдвига фазы. Ожидается простая интеграция предлагаемых элементов в оптоэлектронные схемы благодаря совместимости со стандартной электронной технологией "комплементарная структура металл-оксид-полупроводник". Более того, предлагаемая технология предполагает использование недорогих неодимовых магнитов для создания внешнего магнитного поля, что позволяет достичь невысокой стоимости устройств.

Subject of study. Non-reciprocal phase shifters on a chip based on resonant silicon waveguides with an applied magnetic field perpendicular to the chip plane. Aim of study. Developing a method for achieving magneto-induced non-reciprocity in resonant silicon waveguides due to uncompensated integral transverse rotation of electric fields in volume by violating the mirror symmetry of waveguides and an applied external magnetic field in Voigt geometry. Method. Breaking the mirror symmetry of the waveguides, the effect of transverse rotation of the electric fields of the operating modes is observed. By applying a magnetic field in the Voigt geometry, a non-reciprocal phase accumulates when light propagates through the waveguide, which is calculated using stationary perturbation theory. Main results. Three designs of silicon waveguides have been proposed with broken mirror symmetry to create compact magneto-induced phase shift elements integrated on a chip. As a result of waveguide eigenfrequencies modeling in COMSOL Multiphysics, effective indicators of the integral transverse rotation of electric fields in one direction in silicon waveguides are obtained, which allows us to fold waveguides into a serpentine shape on a chip with an area of less than 1 mm{2} according to the estimations of authors. Practical significance. Such nanostructures are based on commercially available silicon-on-insulator wafers with a standard thickness of 220 nm. The serpentine bending of the waveguides under study allows them to be used as on-chip non-reciprocal phase shifters. The proposed phase shifters are expected to be easily integrated into optoelectronic circuits due to compatibility with the standard complementary metal–oxide–semiconductor electronic technology. Moreover, the proposed technology is expected to be cheap due to the low price of neodymium magnets, which are used to create a stationary external magnetic field.