Indo contra a sabedoria convencional, os cientistas descobriram um novo mecanismo de acoplamento envolvendo modos de vazamento que anteriormente era considerado inadequado para integração de circuitos fotônicos de alta densidade. Esta incrível descoberta abre caminho para a integração fotônica de alta densidade, mudando o potencial e a escalabilidade dos chips fotônicos em áreas como computação óptica, comunicações quânticas, detecção e alcance de luz (LiDAR), metrologia óptica e detecção bioquímica.
Em uma edição recente da revista Light Science & Application, Sangsik Kim, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), e seus alunos da Texas Tech University demonstraram que ondas anisotrópicas com vazamento podem atingir zero interferência entre guias de onda idênticos e próximos usando metamateriais de grade de comprimento de onda (SWG). Esta descoberta contra-intuitiva aumenta muito o comprimento de acoplamento dos modos magnéticos transversais (TM), que têm sido um desafio devido ao seu baixo confinamento.
Esta pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores sobre o uso de metamateriais SWG para reduzir diafonia óptica, incluindo o controle da profundidade da pele das ondas de evaporação e acoplamento especial em modos de ondas guiadas anisotrópicas. Recentemente, o SWG fez progressos significativos no campo da fotônica, possibilitando uma variedade de componentes PIC de alto desempenho. No entanto, a densidade de integração do modo TM ainda enfrenta desafios, e sua diafonia é aproximadamente 100 vezes maior que a do modo elétrico lateral (TE), dificultando a integração de chips de alta densidade.
"Nosso grupo de pesquisa tem explorado SWGs para integração fotônica densa e alcançou melhorias significativas. No entanto, os métodos anteriores eram limitados à polarização TE. Em chips fotônicos, há outra TM de polarização ortogonal, que pode dobrar a capacidade do chip e às vezes é mais popular que TE, como na detecção de campo gradiente. " Kim explicou: "TM é mais difícil de integrar densamente do que TE porque sua proporção de aspecto de guia de ondas é geralmente mais baixa e menos restritiva."
Inicialmente, a equipe pensou que seria impossível reduzir o crosstalk usando SWGs porque esperavam que os modos com vazamento melhorassem o acoplamento entre os guias de onda. No entanto, eles se concentraram no potencial de perturbações anisotrópicas com modos de vazamento e assumiram que o cancelamento cruzado poderia ser alcançado.
Ao realizar a análise de modo acoplado das propriedades modais dos modos SWG com vazamento, eles descobriram perturbações anisotrópicas únicas com modos de vazamento semelhantes, permitindo zero diafonia entre guias de onda SWG idênticos e próximos. Usando a simulação de limites Floquet, eles projetaram um guia de ondas SWG viável na plataforma de silício sobre isolante (SOI) padrão da indústria. Comparado com guias de ondas de tira, seu efeito de supressão de diafonia é significativo e o comprimento do acoplamento é aumentado em mais de duas ordens de grandeza.
Este avanço também reduz significativamente os níveis de ruído dentro dos PICs, com implicações potenciais para comunicações e computação quânticas, metrologia óptica e detecção bioquímica. Os pesquisadores enfatizaram ainda as amplas implicações de seu trabalho, observando que este novo mecanismo de acoplamento poderia ser estendido a outras plataformas fotônicas integradas e faixas de comprimento de onda, incluindo visível, infravermelho médio e terahertz além das bandas de telecomunicações.
Este incrível mecanismo de acoplamento expande o potencial de integração fotônica densa, quebra a sabedoria convencional e faz avançar o campo. À medida que a pesquisa continua, a indústria fotônica provavelmente avançará em direção a tecnologias de circuitos integrados mais densas, com menor ruído e mais eficientes.