Journal of Experimental and Theoretical PhysicsJournal of Experimental and Theoretical Physics0044-45103034-641XRussian Academy of Science10.7868/S3034641X25110017КОГЕРЕНТНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ПРОХОЖДЕНИИ СВЕТА В ИНТЕГРАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯКОГЕРЕНТНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ ПРИ АДИАБАТИЧЕСКОМ ПРОХОЖДЕНИИ СВЕТА В ИНТЕГРАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ СТРУКТУРАХ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯBorovkovaO.V.БоровковаО.В. borovkova_ov_noemail@ras.ruStepanovI.I.СтепановИ.И. stepanov_ii_noemail@ras.ruLobanovV.E.ЛобановВ.Е. lobanov_ve_noemail@ras.ruCermosencevD.A.ЧермошенцевД.А. cermosencev_da_noemail@ras.ruРоссийский квантовый центрРоссийский квантовый центрРоссийский квантовый центр; Московский физико-технический институтРоссийский квантовый центр; Московский физико-технический институтРоссийский квантовый центрРоссийский квантовый центрРоссийский квантовый центр; Московский физико-технический институтРоссийский квантовый центр; Московский физико-технический институт010520251685593602

В настоящее время фотонные интегральные структуры на основе нитрида кремния (Si3N4) зарекомендовали себя в качестве перспективной платформы для многочисленных приложений, включая нелинейную и квантовую оптику, спектроскопию и лазерную физику. Планарные волноводы и направленные ответвители, изготовленные по КМОП-совместимой технологии, являются ее основными элементами. В работе продемонстрированы возможности эффективной маршрутизации и передачи света, предоставляемые интегральной планарной волноводной структурой из нитрида кремния на основе метода когерентного туннелирования при адиабатическом прохождении света (метод СТАР, coherent tunneling by adiabatic passage) в телекоммуникационном диапазоне 1.55 мкм. Изучена устойчивость предлагаемой схемы к погрешностям изготовления и найдены оптимальные параметры волноводной структуры. Рассмотрены различные типы волноводов и показано, что эффективное управление светом возможно в системах как с сильной, так и со слабой локализацией света. Выявлены механизмы, ограничивающие эффективность управления светом, и определены доступные параметры таких структур. Показано, что эффект СТАР малочувствителен к состоянию поляризации входной моды, поэтому преобразование мод, присущее изогнутым волноводам, не влияет на процесс передачи света.

В настоящее время фотонные интегральные структуры на основе нитрида кремния (Si3N4) зарекомендовали себя в качестве перспективной платформы для многочисленных приложений, включая нелинейную и квантовую оптику, спектроскопию и лазерную физику. Планарные волноводы и направленные ответвители, изготовленные по КМОП-совместимой технологии, являются ее основными элементами. В работе продемонстрированы возможности эффективной маршрутизации и передачи света, предоставляемые интегральной планарной волноводной структурой из нитрида кремния на основе метода когерентного туннелирования при адиабатическом прохождении света (метод СТАР, coherent tunneling by adiabatic passage) в телекоммуникационном диапазоне 1.55 мкм. Изучена устойчивость предлагаемой схемы к погрешностям изготовления и найдены оптимальные параметры волноводной структуры. Рассмотрены различные типы волноводов и показано, что эффективное управление светом возможно в системах как с сильной, так и со слабой локализацией света. Выявлены механизмы, ограничивающие эффективность управления светом, и определены доступные параметры таких структур. Показано, что эффект СТАР малочувствителен к состоянию поляризации входной моды, поэтому преобразование мод, присущее изогнутым волноводам, не влияет на процесс передачи света.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-22-00190).Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-22-00190).U. Gaubatz, P. Rudecki, S. Schiemann, and K. Bergmann, J. Chem. Phys. 92, 5363 (1990).K. Bergmann, H. Theuer, and B. W. Shore, Rev. Mod. Phys. 70, 1003 (1998).M. Shapiro, J. W. Hepburn, and P. Brumer, Chem. Phys. Lett. 149, 451 (1988).D. J. Tannor, R. Kosloff, and S. A. Rice, J. Chem. Phys. 85, 5805 (1986).K. Bergmann, H.-C. Nägerl, C. Panda et al., J. Phys. B 52, 202001 (2019).E.-S. Lee, K. W. Chun, J. Jin et al., Opt. Express 31, 4760 (2023).S. Longhi, Laser Photon. Rev. 3, 243 (2009).I. A. Burenkov, I. Novikova, O. V. Tikhonova, and S. V. Polyakov, Opt. Express 29, 330 (2021).S. Longhi, G. Della Valle, M. Ornigotti, and P. Laporta, Phys. Rev. B 76, 201101 (2007).Y. Lahini, F. Pozzi, M. Sorel et al., Phys. Rev. Lett. 101, 193901 (2008).F. Dreisow, A. Szameit, M. Heinrich et al., Appl. Phys. Lett. 95, 261102 (2009).R. Menchon-Enrich, A. Llobera, J. Vila-Planas et al., Light Sci. Appl. 2, e90 (2013).M. Mrejen, H. Suchowski, T. Hatakeyama et al., Nat. Commun. 6, 7565 (2015).E. Paspalakis, Opt. Commun. 258, 30 (2006).T. A. Ramadan, R. Scarmozzino, and R. M. Osgood, J. Light Technol. 16, 277 (1998).C. W. Wu, A. S. Solntsev, D. N. Neshev, and A. A. Sukhorukov, Opt. Lett. 39, 953 (2014).V. Evangelakos, E. Paspalakis, and D. Stefanatos, Sci. Rep. 13, 1368 (2023).J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster et al., Nat. Photon. 4, 37 (2010).D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photon. 7, 597 (2013).J. H. Song, T. D. Kongnyuy, A. Stassen et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 2164 (2016).K. Wu and A. W. Poon, Opt. Express 28, 17708 (2020).J. Liu, G. Huang, R. N. Wang et al., Nat. Commun. 12, 2236 (2021).C. Xiang, W. Jin, and J. E. Bowers, Photon. Res. 10, A82 (2022).N. M. Kondratiev, V. E. Lobanov, A. E. Shitikov et al., Front. Phys. 18, 21305 (2023).D. T. Spencer, J. F. Bauters, M. J. R. Heck, and J. E. Bowers, Optica 1, 153 (2014).X. Xue, X. Zheng, and B. Zhou, Nat. Photon. 13, 616 (2020).O. B. Helgason, F. R. Arteaga-Sierra, Z. Ye et al., Nat. Photon. 15, 305 (2021).I. Rebolledo-Salgado, C. Quevedo-Galan, O. B. Helgason et al., Commun. Phys. 6, 303 (2023).S. Sanyal, Y. Okawachi, Y. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 134, 123801 (2025).E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press (1998).J. Kischkat, S. Peters, B. Gruska et al., Appl. Opt. 51, 6789 (2012).D. J. Blumenthal, R. Heideman, D. Geuzebroek et al., Proc. IEEE 106, 2209 (2018).M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brasch et al., Optica 3, 20 (2016).A. M. Mumlyakov, N. Yu. Dmitriev, M. V. Shibalov et al., Phys. Rev. Appl. 22, 054027 (2024).W. Jin, Q.-F. Yang, L. Chang et al., Nat. Photon. 15, 346 (2021).