Proposta di applicazioni di conversione del percorso ottico con risonatori ottici di tipo ZIPPER in silice.
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Proposta di applicazioni di conversione del percorso ottico con risonatori ottici di tipo ZIPPER in silice.
Verso un nuovo interruttore completamente ottico che opera sotto la pressione della radiazione ottica.
Poiché la luce ha una quantità di moto, quando colpisce un materiale genera una pressione. Questa pressione è chiamata pressione di radiazione ottica, ma è stata raramente utilizzata nella ricerca sui dispositivi perché è una forza estremamente debole. Tuttavia, i recenti sviluppi nella tecnologia dei risonatori micro-ottici hanno portato allo sviluppo del campo di ricerca dell'optomeccanica, in cui la pressione della radiazione ottica viene aumentata in modo efficiente per controllare la struttura del risonatore. Abbiamo studiato teoricamente un nuovo interruttore completamente ottico basato sulla pressione delle radiazioni ottiche utilizzando un risonatore ottico di tipo zipper in silice.
Il risonatore ottico a cerniera in silice è costituito da due risonatori ottici nanobeam in stretta vicinanza, come mostrato nella Fig. 1 (a). Il risonatore a cerniera confina ed esalta la luce nella sua parte centrale, generando una forte pressione di radiazione ottica tra le due strutture a ponte. Quando questa pressione di radiazione ottica è sufficientemente forte, la struttura del risonatore si sposta e la distanza tra i due risonatori nanobeam cambia. Abbiamo pensato di utilizzare questo comportamento in un accoppiatore direzionale controllabile dinamicamente. Un accoppiatore direzionale è un dispositivo utilizzato per combinare e dividere la luce con due guide d'onda ottiche vicine e può essere usato per cambiare il percorso della luce modificando opportunamente la distanza tra le guide d'onda (Fig. 1 (b)). Sostituendo questa guida d'onda con un risonatore a cerniera, è possibile realizzare un interruttore ottico che cambia il percorso della luce modificando la distanza tra le guide d'onda con la pressione della radiazione ottica. Questo interruttore completamente ottico guidato dalla pressione della radiazione ottica è il primo studio di questo tipo al mondo e lo abbiamo chiamato interruttore MOMS (Micro Opto-Mechanical system).
Fig. 1 (a) Schema della cavità a cerniera. (b) Schema della propagazione della luce nella guida d'onda dell'accoppiatore direzionale.
La silice è stata scelta come materiale del risonatore per l'analisi numerica del progetto e delle prestazioni dell'interruttore MOMS. La silice è considerata adatta per applicazioni che richiedono grandi spostamenti strutturali, grazie alla sua bassa rigidità rispetto ad altri materiali ottici. La luce di controllo è stata scelta nella banda della luce visibile e la luce di segnale nella banda della luce di comunicazione, sfruttando l'ampia banda di lunghezze d'onda disponibile. In questo modo, la luce del segnale può propagarsi senza essere influenzata dalla localizzazione di modo dovuta allo specchio di Bragg.
Quando la struttura del risonatore viene spostata dalla pressione della radiazione ottica, la variazione della frequenza di risonanza è adiabatica, quindi la pressione della radiazione ottica può essere calcolata dalla dipendenza dell'energia interna del risonatore U (frequenza di risonanza ω) dalla distanza di spostamento s (dU/ds = ħdω/ds). Abbiamo calcolato la pressione della radiazione ottica generata dal metodo FDTD per determinare la frequenza di risonanza al variare della spaziatura del risonatore (Fig. 2 (a)). Abbiamo anche calcolato lo spostamento della struttura del risonatore quando la pressione della radiazione ottica viene applicata ad essa utilizzando il metodo degli elementi finiti. Inoltre, le prestazioni della struttura come accoppiatore direzionale prima e dopo lo spostamento sono state valutate con il metodo FDTD e, confrontandole con i risultati precedenti, è stato dimostrato che è possibile una conversione del percorso ottico con un grande rapporto di estinzione di oltre 17,8 dB con un ingresso di luce di controllo di 190 mW (Fig. 2 (b)).
Fig. 2 (a) Dipendenza del gap rispetto al tasso di accoppiamento opto-meccanico e alla forza di radiazione ottica. rapporto di estinzione (ER) = 17,8 dB) (in alto) e la propagazione della luce dopo la deformazione (s = 93 nm, ER = 18,2 dB) (in basso).
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