DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73390-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42209483
تاريخ النشر: 2026-05-28
المؤلف: Toby Bi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدم في فوتونيات نيتريد السيليكون، مع تسليط الضوء على قدراتها على التكامل لمجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الاتصالات، الساعات الضوئية، المشط النجمي، الاستشعار الحيوي، وLiDAR. يسمح إدخال تقنيات التصميم العكسي، التي تستخدم تحسينات تكرارية قائمة على التدرج لتحقيق أداء محدد للجهاز، بتوسيع مكتبة تصميم الفوتونيات إلى ما هو أبعد من الطرق التقليدية. يتم تسهيل هذا الابتكار من خلال زيادة إمكانية الوصول إلى فوتونيات نيتريد السيليكون عبر المصانع.
يقدم المؤلفون عملهم على فوتونيات مصممة بشكل عكسي على منصة نيتريد السيليكون، مع عرض قدرات التصميم والتحقق التجريبي من أجهزة مثل مضاعفات تقسيم الطول الموجي، ومضاعفات تقسيم الوضع، والمذبذبات عالية الجودة. تعرض هذه الأجهزة نطاقات طول موجي قابلة للتحكم وتشتت، مما يمكّن من تحسين أفضل لأسس الضوء المتعامدة. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الهياكل المصممة بشكل عكسي لإنشاء تجاويف ضوئية، التي تحمل إمكانيات للتجارب المستقبلية في البصريات غير الخطية والكمومية على الرقاقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية عمليات أشباه الموصلات المعدنية-أكسيد المكملة (CMOS) في تقدم الفوتونيات المتكاملة، مع التركيز بشكل خاص على نيتريد السيليكون كمادة رائدة بسبب خصائصها المواتية، مثل نافذة الشفافية الكبيرة، وعدم الخطية العالية لكير، والخسائر المنخفضة. أظهرت دوائر الفوتونيات المتكاملة من نيتريد السيليكون وعدًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الاتصالات، الساعات الضوئية، وLiDAR. يناقش القسم أيضًا ظهور التصميم العكسي الفوتوني، الذي يستخدم طرق تحسين قائمة على التدرج لإنشاء أجهزة انتقائية للطول الموجي وانتقائية للوضع، مع تجارب تجريبية حديثة تمتد إلى ما هو أبعد من المنصات السيليكونية التقليدية إلى مواد مثل الماس والليثيوم نوبات.
في هذه الدراسة، يركز المؤلفون على تطبيق التصميم العكسي على طبقة نيتريد السيليكون عالية الجودة وسميكة (800 نانومتر) التي تظهر خسارة نقل منخفضة في الموجات الضوئية وحبس قوي للوضع. يقدمون نتائج تجريبية لمضاعفات تقسيم الطول الموجي (WDMs) ومضاعفات تقسيم الوضع (MDMs)، محققين خسائر إدخال تبلغ حوالي -2 ديسيبل ومستويات تداخل أقل من -10 ديسيبل. من الجدير بالذكر أن الأجهزة المصممة بشكل عكسي تظهر بصمات أصغر بكثير—تتراوح من 5 × 5 ميكرومتر² إلى 15 × 10 ميكرومتر²—مقارنة بالتطبيقات التقليدية، التي يمكن أن تشغل مناطق أكبر بكثير. بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسة إلى تحسين المذبذبات الضوئية مع قياس أقصى جودة محملة تبلغ حوالي 162، مما يدل على عامل جودة مرتفع، وتقترح تطبيقات محتملة في الفوتونيات غير الخطية والكمومية.
طرق
يستعرض قسم الطرق الأساليب التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح تصميم التجارب، بما في ذلك اختيار المشاركين، والمواد المستخدمة، والإجراءات المحددة المتبعة لضمان موثوقية وصدق النتائج. كما يتم وصف التقنيات الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات، مع تسليط الضوء على أي برامج أو أدوات تم استخدامها لمعالجة البيانات واستخلاص استنتاجات ذات مغزى.
بالإضافة إلى ذلك، يبرز قسم الطرق الضوابط المنفذة للتخفيف من التحيزات المحتملة والمتغيرات المربكة، مما يضمن أن النتائج قوية وقابلة للتكرار. يتم مناقشة المنطق وراء المنهجيات المختارة، مما يوفر نظرة ثاقبة حول كيفية توافقها مع أهداف البحث والفرضيات. بشكل عام، يعمل هذا القسم كأساس حاسم لفهم النتائج اللاحقة وآثارها.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج أبحاثهم حول الأجهزة الضوئية المصممة بشكل عكسي والتي تم تحسينها باستخدام خوارزمية قائمة على التدرج. تم بناء الأجهزة على نواة من نيتريد السيليكون (Si₃N₄) مع تغليف من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) متماثل، مما يظهر قدرات كبيرة من حيث التCompactness وانخفاض خسائر الانتشار. تشير الجودة الداخلية (عامل الجودة) التي تزيد عن 20 مليون للمذبذبات الحلقية المصنعة إلى فعالية المنصة. يتم تسليط الضوء على ثلاثة أجهزة محددة: مضاعف تقسيم الطول الموجي (WDM)، مضاعف تقسيم الوضع (MDM)، وعاكس، كل منها مصمم لأداء وظائف ضوئية متميزة.
يفصل WDM بنجاح إدخال عرض نطاق ترددي أساسي عرضي كهربائي (TE₀₀) إلى قناتين عند ترددات متميزة مع الحفاظ على سلامة الوضع المكاني. يميز MDM بفعالية بين أوضاع TE₀₀ وTE₁₀، ويوجهها إلى موجات ضوئية أحادية الوضع منفصلة. بالإضافة إلى ذلك، يظهر العاكس عاكسية عالية لوضع TE₀₀ بينما يقمع خرج TE₁₀، مما يعرض إمكانيات المنصة للتطبيقات في البصريات غير الخطية والكمومية. تشمل النتائج التجريبية مستويات تداخل مقاسة تبلغ -7 ديسيبل و-3 ديسيبل لقنوات WDM، مع عرض نطاق 3 ديسيبل يتجاوز 30 تيراهرتز، وأقصى تداخل يبلغ -18 ديسيبل لـ MDM، مما يدل على أداء قوي عبر نطاق C.
مناقشة
في هذه الدراسة، نقدم تصميم وتصنيع وتوصيف مضاعفات تقسيم الطول الموجي (WDMs)، ومضاعفات تقسيم الوضع (MDMs)، ومذبذبات فابري-بيرو (FP) باستخدام منصة نيتريد السيليكون السميكة. تعمل WDMs عند قنوات تردد 194/232 تيراهرتز و196/202 تيراهرتز، محققة بصمة مدمجة تبلغ 5×5 ميكرومتر² و8×8 ميكرومتر²، على التوالي. تفصل MDMs بفعالية بين الأوضاع المكانية TE₀₀ وTE₁₀، مع إظهار أقصى تداخل يبلغ -18 ديسيبل عند 197 تيراهرتز. تظهر تجاويف FP، التي تتشكل مع عواكس مصممة بشكل عكسي، جودة تتجاوز 160 عبر نطاقين طيفيين حرين متميزين (FSRs) تبلغ حوالي 144.6 جيجاهرتز و307.6 جيجاهرتز، مع عاكسية تتجاوز 98% للمرايا الفردية.
تشير النتائج إلى أن منصة نيتريد السيليكون السميكة ضرورية لتمكين العمليات الفوتونية غير الخطية والكمومية القائمة على كير ضمن مساحة مدمجة. لا تعزز التطورات في التصميم العكسي أداء الأجهزة فحسب، بل تقلل أيضًا من أخطاء التصنيع، مما يجعل هذه المكونات مناسبة للتكامل القابل للتوسع في أنظمة الفوتونيات القائمة على نيتريد السيليكون. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه الهياكل المحسنة للتطبيقات المستقبلية في الدوائر الفوتونية عالية الأداء، مستفيدة من قوتها ضد التغيرات في معلمات التصنيع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73390-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42209483
Publication Date: 2026-05-28
Author(s): Toby Bi et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
The section provides an overview of advancements in silicon nitride photonics, highlighting its integration capabilities for various applications such as telecommunications, optical clocks, astrocombs, bio-sensing, and LiDAR. The introduction of inverse design techniques, which utilize iterative, gradient-based optimization to achieve specified device performance, allows for an expansion of the photonic design library beyond traditional methods. This innovation is facilitated by the increasing accessibility of silicon nitride photonics through foundries.
The authors present their work on inverse-designed photonics on a silicon nitride platform, showcasing the design capabilities and experimental validation of devices such as wavelength-division multiplexers, mode-division multiplexers, and high-Q resonators. These devices exhibit controllable wavelength ranges and dispersion, enabling enhanced manipulation of orthogonal bases of light. Additionally, the inverse-designed structures are utilized to create optical cavities, which hold potential for future on-chip nonlinear and quantum optics experiments.
Introduction
The introduction highlights the significance of complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes in the advancement of integrated photonics, particularly emphasizing silicon nitride as a leading material due to its favorable properties, such as a large transparency window, high Kerr nonlinearity, and low losses. Silicon nitride photonic integrated circuits have shown promise in various applications, including telecommunications, optical clocks, and LiDAR. The section also discusses the emergence of photonic inverse design, which utilizes gradient-based optimization methods to create wavelength-selective and mode-selective devices, with recent experimental demonstrations extending beyond traditional silicon platforms to materials like diamond and lithium niobate.
In this study, the authors focus on applying inverse design to a high-quality, thick silicon nitride layer (800 nm) that exhibits low waveguide transmission loss and strong mode confinement. They present experimental results for wavelength-division multiplexers (WDMs) and mode-division multiplexers (MDMs), achieving insertion losses of approximately -2 dB and crosstalk levels below -10 dB. Notably, the inverse-designed devices demonstrate significantly smaller footprints—ranging from 5 × 5 µm² to 15 × 10 µm²—compared to conventional implementations, which can occupy much larger areas. Additionally, the study reports on the optimization of optical resonators with a measured maximum loaded finesse of approximately 162, indicating a high Q-factor, and suggests potential applications in nonlinear and quantum photonics.
Methods
The section on methods outlines the experimental and analytical approaches employed in the study. It details the design of the experiments, including the selection of participants, materials used, and the specific procedures followed to ensure the reliability and validity of the results. The statistical techniques applied for data analysis are also described, highlighting any software or tools utilized to process the data and derive meaningful conclusions.
Additionally, the methods section emphasizes the controls implemented to mitigate potential biases and confounding variables, ensuring that the findings are robust and reproducible. The rationale behind the chosen methodologies is discussed, providing insight into how they align with the research objectives and hypotheses. Overall, this section serves as a critical foundation for understanding the subsequent results and their implications.
Results
In this section, the authors present the results of their research on inverse-designed optical devices optimized using a gradient-based algorithm. The devices are constructed on a silicon nitride (Si₃N₄) core with symmetric silicon dioxide (SiO₂) cladding, demonstrating significant capabilities in terms of compactness and low propagation losses. The intrinsic quality factor (Q-factor) of over 20 million for the fabricated ring resonators indicates the effectiveness of the platform. Three specific devices are highlighted: a wavelength-division multiplexer (WDM), a mode-division multiplexer (MDM), and a reflector, each designed to perform distinct optical functions.
The WDM successfully separates a broadband fundamental transverse-electric (TE₀₀) input into two channels at distinct frequencies while maintaining spatial mode integrity. The MDM effectively distinguishes between TE₀₀ and TE₁₀ modes, routing them to separate single-mode waveguides. Additionally, the reflector demonstrates high reflectivity for the TE₀₀ mode while suppressing the TE₁₀ output, showcasing the platform’s potential for applications in nonlinear and quantum optics. The experimental results include measured crosstalk levels of -7 dB and -3 dB for the WDM channels, with a 3 dB bandwidth exceeding 30 THz, and a maximum crosstalk of -18 dB for the MDM, indicating robust performance across the C-band.
Discussion
In this study, we present the design, fabrication, and characterization of inverse-designed wavelength-division multiplexers (WDMs), mode-division multiplexers (MDMs), and Fabry-Pérot (FP) resonators utilizing a thick silicon nitride platform. The WDMs operate at frequency channels of 194/232 THz and 196/202 THz, achieving a compact footprint of 5×5 µm² and 8×8 µm², respectively. The MDMs effectively separate spatial modes TE₀₀ and TE₁₀, demonstrating a maximum crosstalk of -18 dB at 197 THz. The FP cavities, formed with inverse-designed reflectors, exhibit a finesse exceeding 160 across two distinct free spectral ranges (FSRs) of approximately 144.6 GHz and 307.6 GHz, with reflectivity surpassing 98% for single mirrors.
The results indicate that the thick silicon nitride platform is crucial for enabling Kerr-based nonlinear and quantum photonic operations within a compact area. The advancements in inverse design not only enhance device performance but also mitigate fabrication errors, making these components suitable for scalable integration into silicon nitride-based photonic systems. The findings underscore the potential of these optimized structures for future applications in high-performance photonic circuits, leveraging their robustness against variations in fabrication parameters.