Моделирование трехмерного устройства нанофотоники для ввода излучения в планарный волновод
Налимов А.Г., Ковалев А.А., Котляр В.В., Сойфер В.А.

Институт систем обработки изображений РАН,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет) (СГАУ)

Аннотация:
С помощью программы FullWAVE (www.rsoftdesign.com), в которой реализован разностный FDTD-метод решения уравнений Максвелла,промоделировано трехмерное устройство нанофотоники, состоящее из субволновой дифракционной решетки, широкого и узкого планарных волноводов и фотонно-кристаллической линзы Микаэляна, расположенных в тонкой пленке кремния на подложке из трех периодов зеркала Брегга, каждый период которого состоит из слоя кремния и плавленного кварца. Устройство предназначено для ввода однонаправленного лазерного пучка с фокусным пятном 3 × 4,6 мкм2 с длиной волны 1,55 мкм в узкий планарный волновод шириной 500 нм, что приводит к «сжатию» площади сечения входного пучка в 125 раз. Моделирование показало, что эффективность устройства равна 32% от энергии сфокусированного на решетку линейно поляризованного эллиптического гауссова пучка и 52%, если решетку осветить участком плоской волны. Для сравнения, если вводить свет в это же устройство, но без решетки, а фокусируя свет на торец кремниевой пленки широкого волновода, то эффективность будет равна только 8%.

Ключевые слова:
FDTD-метод, фотонно-кристаллическая линза, сопряжение двух волноводов, ввод излучения в волновод, зеркало Брегга, нанофотоника.

Литература:

Bogaerts, W. Nanophotonic waveguides and photonic crystal in Silicon-on-Insulator, / W. Bogaerts, //PhD Thesis, Universitet ot Gent, Netherlands, -2003.
Taillaert, D. An out-of-plane grating coupler for efficient butt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers / D. Taillaert [and other] // IEEE J. Quantum Electron. - 2002. - Vol.38(7). - P. 949-955.
Van Laere, F. Compact Slanted Grating Couplers Between Optical Fiber and InP-InGaAsP Waveguides / F. Van Laere [and other] // IEEE Phot. Techn. Lett. -2007. – Vol. 19(6). – P. 396-398.
Orobtchouk, R. High-Efficiency Light Coupling in a Submicrometric Silicon-on-Insulator Waveguide / R. Orobtchouk [and other] // Appl. Opt. -2000. – Vol. 39(31). – P. 5773-5777.
Van Laere, F. Compact and Highly Efficient Grating Couplers Between Optical Fiber and Nanophotonic Waveguides / F. Van Laere [and other] // J. Lightwave Technol. -2007. – Vol. 25(1). – P. 151-156.
Spuhler, M.M. A Very Short Planar Silica Spot-Size Converter Using a Nonperiodic Segmented Waveguide / M.M. Spuhler [and other] // J. Lightwave Technol. -1998. – Vol. 16(9). – P. 1680-1685.
Chien, H. Focusing of electromagnetic waves by periodic arrays of air holes with gradually varying radii / H. Chien, C. Chen // Opt. Express -2006. – Vol. 14(22). – P. 10759-10764.
Wu, Q. Graded negative index lens by photonic crystals / Q. Wu, J.M. Gibbons, W. Park // Opt. Express. -2008. – Vol. 16(21). – P. 16941-16949.
Триандафилов, Я.Р. Фотонно-кристаллическая линза Микаэляна / Я.Р. Триандафилов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. -2007. – Т. 31, № 3. – С. 27-31.
Котляр, В.В. Фотонно-кристаллическая линза для сопряжения двух планарных волноводов / В.В. Котляр [и др.] // Компьютерная оптика. -2008. – Т. 32, № 4. – С. 326-336.