従来の通念に反して、科学者たちは、これまでフォトニック回路の高密度集積には適さないと考えられていた漏れモードを含む新しい結合メカニズムを発見しました。この驚くべき発見は、高密度フォトニック統合への道を切り開き、光コンピューティング、量子通信、光検出および測距（LiDAR）、光学計測、生化学センシングなどの分野におけるフォトニックチップの可能性と拡張性を変えます。
韓国科学技術研究院（KAIST）電気工学科准教授のサンシク・キム氏とテキサス工科大学の学生らは、学術誌「Light Science & Application」の最新号で、サブ波長回折格子（SWG）メタマテリアルを使用して、異方性漏洩波が密集した同一導波路間でゼロクロストークを達成できることを実証した。この直観に反する発見により、閉じ込めが低いために課題となっていた横磁気 (TM) モードの結合長が大幅に増加しました。
この研究は、蒸着波の表皮深さの制御や異方性導波モードでの特殊な結合など、光クロストークを低減するための SWG メタマテリアルの使用に関する以前の研究に基づいています。最近、SWG はフォトニクス分野で大きな進歩を遂げ、さまざまな高性能 PIC コンポーネントを実現しました。しかし、TM モードの集積密度には依然として課題があり、そのクロストークは横電気 (TE) モードの約 100 倍であり、高密度チップ集積化の妨げとなっています。
「私たちの研究グループは、高密度フォトニック統合のためのSWGを研究し、大幅な改善を達成しました。しかし、以前の方法はTE偏光に限定されていました。フォトニックチップには、チップ容量を2倍にすることができる別の直交偏光TMがあり、傾斜磁場センシングなどではTEよりも人気がある場合があります。」 Kim 氏は次のように説明しました。「TM は、導波路のアスペクト比が一般的に低く、制限が少ないため、TE よりも高密度に集積することが困難です。」
当初、研究チームは、漏洩モードが導波路間の結合を強化すると予想していたので、SWG を使用してクロストークを低減することは不可能であると考えていました。しかし、彼らは漏れモードによる異方性摂動の可能性に焦点を当て、クロスキャンセルが達成できると仮定しました。
彼らは、漏洩 SWG モードのモード特性の結合モード解析を実行することにより、同様の漏洩モードを持つ独特の異方性摂動を発見し、密に配置された同一の SWG 導波路間のゼロクロストークを可能にしました。彼らは、Floquet 境界シミュレーションを使用して、業界標準のシリコン オン インシュレータ (SOI) プラットフォーム上で実現可能な SWG 導波路を設計しました。ストリップ導波路と比較してクロストーク抑制効果が大きく、結合長が2桁以上長くなります。
このブレークスルーは、PIC 内のノイズ レベルも大幅に低減し、量子通信とコンピューティング、光学計測、生化学センシングに潜在的な影響を及ぼします。研究者らはさらに、この新しい結合機構が他の統合フォトニクスプラットフォームや通信帯域を超えた可視、中赤外、テラヘルツなどの波長範囲に拡張できる可能性があることを指摘し、研究の広範な意義を強調した。
この驚くべき結合メカニズムは、高密度フォトニック統合の可能性を拡大し、従来の常識を打ち破り、この分野を前進させます。研究が進むにつれ、フォトニクス業界は、より高密度、低ノイズ、より効率的な集積回路技術に移行する可能性があります。