Fotonik inteqral sxemlərdə optik açarların böyük hissəsi işığı yalnız çip səthinə paralel müstəvidə istiqamətləndirir. Port sayı artdıqca bu ikiölçülü quruluş bağlantı yollarının uzanmasına və çip sahəsinin böyüməsinə səbəb ola bilər. Bu tədqiqat nematik maye kristalın elektrik sahəsi altında dəyişdirilə bilən ikiqat sınma xüsusiyyətindən istifadə edərək işığı həm eyni fotonik qat daxilində üfüqi, həm də üst-üstə yerləşdirilmiş müxtəlif qatlar arasında şaquli istiqamətləndirə bilən üçölçülü optik açar arxitekturası təklif edir. Dizaynda polycarbonate (PC) nüvəsinin sınma indeksi 1.583, PMMA cladding-in sınma indeksi isə 1.482-dir. İstifadə olunan 5PCH maye kristalın extraordinary və ordinary sınma indeksləri müvafiq olaraq \(n_e=1.5918\) və \(n_o=1.4739\)-dur və bu dəyərlər PC və PMMA ilə yaxın uyğunlaşma təmin edir. Gərginlik tətbiq olunmadıqda LC cladding-ə bənzər aşağı indeks vəziyyətində qalır, elektrik sahəsi isə molekulları döndərərək effektiv sınma indeksini yüksəldir və müvəqqəti optik core yaradır. Elektrod həndəsəsi bu gərginliklə idarə olunan core-u üfüqi və ya şaquli formada formalaşdıraraq üçqatlı 3×3 açar arxitekturasında işığın kanallar arasında yenidən istiqamətləndirilməsinə imkan verir. Mənbə təxminən 5 V sürüş altında ON üçün 1.1 ms və OFF üçün 45 ms keçid müddəti bildirir; lakin mənbədə verilən LC qalınlığı və material sabitləri müvafiq zaman sabiti tənliklərinə birbaşa daxil edildikdə bu dəyərlər yenidən alınmır və mənbə daxilində ədədi uyğunsuzluq yaranır. Optik mod simulyasiyaları işığın seçilmiş kanalda məhdudlaşdırıla bildiyini göstərir; lakin scattering və həndəsi waveguide loss hesablamaya daxil edilmədiyindən real insertion loss və crosstalk hələ kəmiyyətcə doğrulanmayıb. Fiziki prototipin hazırlanması və sınağı gələcək iş kimi müəyyən edilir. Buna görə hazırkı tədqiqat aşağı gərginlikli üçölçülü LC fotonik açarı üçün eksperimental olaraq tamamlanmış cihazdan daha çox, kvant açar şəbəkələri üçün ədədi şəkildə təhlil edilmiş cihaz arxitekturası təqdim edir.

Optik açarlamanı niyə üçüncü ölçüyə daşımaq lazımdır?

Ənənəvi planar photonic integrated circuit arxitekturalarında optik yollar böyük ölçüdə eyni səth üzərində yaradılır. Mach–Zehnder interferometer, directional coupler və multimode-interference əsaslı açarlar yüksək performans verə bilsə də port sayı artdıqca üfüqi routing mürəkkəbliyi və tələb olunan çip sahəsi arta bilər. Təklif olunan quruluş üst-üstə yerləşdirilmiş optik qatları da routing oxu kimi istifadə etməklə fotonik bağlantı sıxlığını artırmağı hədəfləyir.

Maye kristal necə elektrik dalğaötürücüsünə çevrilir?

Nematik maye kristallar anizotropdur; işığın gördüyü sınma indeksi molekulların optik oxla yaratdığı bucaqdan asılıdır. Tədqiqatda bu xüsusiyyət tək bir LC bölgəsinin gərginlik vəziyyətindən asılı olaraq cladding və ya core funksiyası görməsi üçün istifadə olunur.

Gərginlik söndürüldükdə molekullar alignment layer boyunca yerləşir və optik bölgə təxminən \(n_o\) ilə davranır. Elektrik sahəsi açıldıqda molekullar sahə istiqamətində dönərək TM modunun gördüyü sınma indeksini \(n_e\)-yə doğru yüksəldir. Beləliklə fiziki olaraq sabit LC blokunun daxilində elektriklə açılıb-söndürülə bilən waveguide seqmenti yaranır.

Təklif olunan 3×3 arxitektura necə təşkil olunur?

Üç optik qatda ümumilikdə doqquz kanal var. Silikon altlığa ən yaxın qatda 1, 4 və 7; ikinci qatda 2, 5 və 8; üçüncü qatda isə 3, 6 və 9 nömrəli waveguide-lar yerləşir.

Üfüqi açarlama necə həyata keçirilir?

Mənbə mətninə və Figure 2-yə görə Area A üfüqi açarlama bölgəsidir. Pilləli elektrod quruluşu elektrik sahəsi profili yaradır və LC-nin yüksək indeksli bölgəsi optik yol formasını alır. Nümunə istiqamətləndirmələr 3→6 və 3→9-dur. Təxminən 15° keçid bucağından istifadə etməklə ani optik istiqamət dəyişmələrinin azaldılması hədəflənmişdir.

Şaquli açarlama necə həyata keçirilir?

Area B-də elektrodlar maye kristalın üstündə və altında yerləşdirilir. Elektrik sahəsinin maili tətbiqi LC director profilini qatlar arasında yumşaq keçid edən core-a çevirir. Mənbədə 3→2 və 3→1 istiqamətləndirmələri nümunə göstərilmiş və təxminən 11° şaquli meyl istifadə edilmişdir.

Figure 1 caption-da horizontal və vertical bölgələr üçün A/B hərfləri əsas metod mətninə nisbətən tərs yazılmışdır. Figure 2 və sonrakı izahlar A-nı üfüqi, B-ni şaquli kimi dəstəklədiyi üçün Verianla bu uyğunlaşdırmanı əsas götürür.

LC hüceyrəsi hansı qatlarla qurulub?

Bu quruluş təxminən 2 µm ümumi qalınlıq yaradır, switching tənliklərində isə LC təbəqəsinin qalınlığı \(d=1.7\ \mu m\) kimi istifadə olunur.

5PCH-nin fiziki xüsusiyyətləri

Hansı polarizasiya istifadə edilməlidir?

Dizayn TM moduna görə hazırlanmışdır. Gərginlik altında effektiv waveguide yaratmaq üçün işığın extraordinary refractive index \(n_e\) ilə əlaqələnməsi lazımdır. Buna görə cihaz təbii halda polarization-independent deyil. Unpolarized və ya mixed-polarization girişlərdə polarization splitter–rotator kimi əlavə fotonik komponentlər tələb olunur.

Metod və Tapıntılar

Gərginlik–sınma indeksi əlaqəsi

Figure 3 elektrodlar arasındakı LC director bucağının paylanmasını göstərir. 5 V tətbiq edilərkən mərkəzi bölgədə molekul bucağı təxminən 90°-yə çatır. Figure 4-də 1550 nm üçün hesablanmış orta sınma indeksi gərginliklə birlikdə yüksəlir.

Orta sınma indeksi tənliyinə dair mənbə qeydi

Mənbə Equation (1)-də hüceyrə qalınlığı boyunca inteqraldan istifadə edərək \(\langle n_{LC}\rangle\)-ni müəyyən edir. Çap olunmuş tənlikdə orta qiymət üçün gözlənilən \(1/d\) normallaşdırma çarpanı görünmür. Figure 4 isə nəticəni ölçüsüz refractive index kimi istifadə edir. Buna görə Equation (1)-in yazılışında normallaşdırma çatışmazlığı olması mümkündür; Verianla bu formulu mənbədən kənar şəkildə səssizcə düzəltmir.

Switching time modeli

Mənbə OFF zaman sabitini:

\[ \tau_{OFF} = \frac{\gamma d^2} {K_{11}\pi^2} \tag{2} \]

və ON zaman sabitini:

\[ \tau_{ON} = \frac{\tau_{OFF}} {\left(V/V_{th}\right)^2-1} \tag{3} \]

kimi müəyyən edir.

Molekul istiqamətlənməsinin zamana görə cavabı:

\[ \theta_{ON}(t) = \frac{\pi}{2} \left(1-e^{-t/\tau_{ON}}\right) \tag{4} \]

və:

\[ \theta_{OFF}(t) = \frac{\pi}{2}e^{-t/\tau_{OFF}} \tag{5} \]

ilə modelləşdirilir.

Switching-time rəqəmlərində yenidən istehsal edilə bilmə problemi

Mənbədə verilən \(\gamma=0.1507\ {\rm Pa\,s}\), \(d=1.7\ \mu m\) və \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\ {\rm N}\) dəyərləri Equation (2)-yə birbaşa tətbiq edildikdə \(\tau_{OFF}\) təxminən 4.60 ms alınır; 5 V və \(V_{th}=1\) V ilə Equation (3) təxminən 0.192 ms verir. Bu dəyərlər Figure 5-dəki 25.45 ms və 0.89 ms ilə uyğun gəlmir. Bildirilən 25.45 ms dəyəri eyni tənlikdə təxminən 4 µm qalınlıq istifadə edildikdə əldə edilə bilər. Buna görə Figure 5 nəticələri mənbədə bildirilən simulyasiya dəyərləri kimi saxlanılır, lakin tənliklərdən müstəqil şəkildə yenidən təsdiqlənmiş hesab edilmir.

İşıq waveguide daxilində saxlanıla bilirmi?

Equivalent Refractive Index yanaşması ilə girişdə, LC keçid bölgələrində və çıxışda beam profile hesablanmışdır. Figure 6-da optik intensivlik seçilmiş channel core daxilində məhdudlaşdırılmış şəkildə göstərilir.

Planar istiqamətdə əsas period təxminən:

4 µm core + 4 µm cladding

və şaquli qat qalınlığı təxminən:

2 µm

səviyyəsindədir.

Lakin Figure 6 caption açıq şəkildə LC scattering və waveguide-shape losses-in nəzərə alınmadığını bildirir. Buna görə simulyasiya mode confinement-i dəstəkləyir, lakin real insertion loss dəyərini müəyyən etmir.

5 V dielektrik baxımdan mümkündürmü?

Bir-birinə yaxın LC hüceyrə elektrodları arasında təxminən 0.1 µm PMMA yerləşir. Mənbə 5 V üçün:

\[ E\approx50\ {\rm kV/mm} = 0.5\ {\rm MV/cm} \]

hesablayır.

Mənbənin istifadə etdiyi nazik-polimer ədəbiyyatındakı 2–5 MV/cm intrinsic breakdown səviyyəsi ilə müqayisədə bu dəyər daha aşağıdır. Bununla belə real breakdown gərginliyi film qüsurları, solvent qalıqları, cross-linking və istehsal şərtlərinə həssas olduğundan mənbə bu qiymətləndirməni fiziki cihaz üzərində aparılmış etibarlılıq testi ilə təsdiqləməyib.

Digər optik açar texnologiyaları ilə müqayisə

“Excellent”, “Good” və bənzər ifadələr standartlaşdırılmış eksperimental benchmark balları deyil; məqalənin keyfiyyət müqayisəsi cədvəlindəki müəllif qiymətləndirmələridir.

10×10 miqyaslana bilmə qabiliyyəti

Mövcud LC electrode pixel pitch təxminən 8 µm-dir. Müəlliflər gələcəkdə 4–5 µm minimum pitch-in mümkün ola biləcəyini və təxminən 1 mm × 1 mm sahədə 10×10 portlu matris yaradıla biləcəyini proqnozlaşdırırlar. Bu nəticə fiziki prototip və ya tam 100-portlu eksperimental açar nümayişi deyil.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Maye kristalın ikiqat sınma davranışı gərginliklə idarə olunan optik core/cladding keçidi üçün istifadə oluna bilər.
• Eyni LC platformasında üfüqi və şaquli routing üçün fərqli elektrod həndəsələri dizayn edilə bilər.
• Təklif olunan 3×3 arxitektura üç fotonik qatı eyni açar quruluşunda birləşdirir.
• 5PCH-nin \(n_o\) və \(n_e\) dəyərləri PMMA və PC indekslərinə yaxın olduğundan gərginliklə idarə olunan index matching yanaşması tətbiq oluna bilər.
• Mənbə simulyasiyaları 1550 nm-də channel mode confinement göstərir.
• Mənbə switching simulation 5 V üçün təxminən 1.1 ms ON və 45 ms OFF müddəti bildirir.
• LC açarlama mexaniki hərəkətli hissə tələb etmir.
• Üçölçülü stacking gələcəkdə port sıxlığını artıra biləcək arxitektura yanaşması təqdim edir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi ümumiləşdirmələr

• Fiziki 3D LC switch prototipi bu məqalədə hazırlanıb ölçülməyib.
• Real insertion loss üçün ədədi eksperimental nəticə verilməyib.
• Crosstalk və isolation fiziki olaraq ölçülməyib.
• Figure 6 scattering və həndəsi propagation loss-u nəzərə almır.
• 10×10 portlu cihaz hələ reallaşdırılmayıb.
• 5 V dielectric reliability real lifetime testi ilə doğrulanmayıb.
• Real QKD key rate, quantum bit error rate və ya entanglement fidelity ölçülməyib.
• Dizayn polarization-independent deyil və TM giriş tələb edir.
• 1.1 ms / 45 ms switching dəyərləri mənbə tənliklərində verilən parametrlərlə birbaşa yenidən istehsal edilmir.
• Nematic LC açar klassik yüksək sürətli packet-level telekom üçün uyğun deyil.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat:Three-Dimensional Liquid Crystal Optical Switch for Quantum Optical Communication.

Müəlliflər: Takao Tomono və Rumiko Yamaguchi.

Qurumlar: Graduate School of Science and Technology, Keio University; Research and Development Directorate, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA); Graduate School of Engineering Science, Akita University.

Əlaqə müəllifi: Takao Tomono.

Jurnal:Entropic and Disordered Matter, MDPI.

Biblioqrafik qeyd: 2026, 1(1), Article 2.

DOI: 10.3390/edm1010002.

Nəşr prosesi: Received 23 April 2026; Revised 11 June 2026; Accepted 25 June 2026; Published 9 July 2026.

Nəşr statusu: Hakem qiymətləndirməsindən keçmiş, dərc olunmuş Version of Record.

Lisenziya: Creative Commons Attribution, CC BY. Müəllif hüquqları müəlliflərdə qalır.

Tədqiqat növü: Üçölçülü photonic switch arxitekturasının hazırlanması, nematik LC elektro-optik modelləşdirmə, effective-index hesabı, switching-time təhlili və optik mode-confinement simulyasiyası. Fiziki açar prototipi hazırlanmayıb.

İş dalğa uzunluğu: Sınma indeksi və optik routing təhlillərində 1550 nm telekom dalğa uzunluğu.

LC materialı: Saf nematik 5PCH; polymer-dispersed LC istifadə olunmayıb.

Polarizasiya: TM. Mixed və ya unpolarized girişlər üçün polarization splitter–rotator tələbi mənbədə qeyd olunur.

Mənbədaxili Area A/B qeydi: Əsas metod mətni və Figure 2 Area A-nı horizontal, Area B-ni vertical switching kimi müəyyən edir; Figure 1 caption-da A/B hərfləri tərs verilib.

Equation (1) qeydi: “Average refractive index” üçün verilən qalınlıq inteqralında çap olunmuş tənlikdə \(1/d\) normallaşdırma çarpanı görünmür.

Switching-time QA qeydi: Mənbə Figure 5-də \(\tau_{ON}=0.89\) ms və \(\tau_{OFF}=25.45\) ms verir. Lakin mənbədə verilən \(d=1.7\ \mu m\), \(\gamma=0.1507\) Pa·s, \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\) N, \(V=5\) V və \(V_{th}=1\) V dəyərləri Equation (2)–(3)-ə tətbiq edildikdə müvafiq olaraq təxminən 4.60 ms OFF və 0.192 ms ON zaman sabitləri alınır. Buna görə mənbədaxili hesablamanın yenidən istehsal edilə bilməsi məhduddur.

Loss-model məhdudiyyəti: Figure 6 açıq şəkildə LC scattering və waveguide-shape losses-in nəzərə alınmadığını bildirir. Mənbədə real insertion loss, crosstalk və ya isolation dəyəri yoxdur.

Redaksiya qalığı: Discussion bölməsində “I corrected the numbers and the order.” cümləsi elmi kontekstdən kənar qalmış redaktə ifadəsi kimi Version of Record-da mövcuddur.

Maliyyələşdirmə: Center of Innovations for Sustainable Quantum AI (JST), Grant JPMJPF2221.

Məlumat əlçatanlığı: Məlumatların açıq olmadığı, lakin əsaslandırılmış sorğu ilə müəlliflərdən əldə edilə biləcəyi bildirilir.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşması olmadığını bəyan edirlər.

Vizual istifadə: Məqalə CC BY lisenziyalı olsa da Verianla-nın nəşr xətti baxımından mənbə Figure 1–6-nı birbaşa istifadə etmək əvəzinə 3D fotonik qatları, LC elektrodlarını və istiqamətləndirilən işıq yollarını orijinal şəkildə yenidən çəkmək daha uyğundur.