Фотондук интегралдык схемалардагы оптикалык которгучтардын көпчүлүгү жарыкты чип бетине параллелдүү тегиздикте гана багыттайт. Порттордун саны көбөйгөн сайын бул эки өлчөмдүү түзүлүш байланыш жолдорунун узарышына жана чип аянтынын чоңоюшуна алып келиши мүмкүн. Бул изилдөө нематикалык суюк кристаллдын электр талаасы астында өзгөртүлүүчү кош сынуу касиетин колдонуп, жарыкты бир эле фотондук катмар ичинде горизонталдуу да, үстү-үстүнө жайгаштырылган ар башка катмарлардын ортосунда вертикалдуу да багыттай алган үч өлчөмдүү оптикалык которгуч архитектурасын сунуштайт. Дизайнда polycarbonate (PC) өзөгүнүн сынуу көрсөткүчү 1.583, PMMA cladding-инин сынуу көрсөткүчү 1.482. Колдонулган 5PCH суюк кристаллынын extraordinary жана ordinary сынуу көрсөткүчтөрү тиешелүүлүгүнө жараша \(n_e=1.5918\) жана \(n_o=1.4739\), бул маанилер PC жана PMMA менен жакын дал келүүнү камсыз кылат. Чыңалуу берилбегенде LC cladding сыяктуу төмөн индекстүү абалда калат, ал эми электр талаасы молекулаларды буруп, эффективдүү сынуу көрсөткүчүн жогорулатат жана убактылуу оптикалык core түзөт. Электрод геометриясы бул чыңалуу менен башкарылуучу core-ду горизонталдуу же вертикалдуу формада калыптандырып, үч катмарлуу 3×3 которгуч архитектурасында жарыкты каналдар арасында кайра багыттоого мүмкүндүк берет. Булак болжол менен 5 V drive шартында ON үчүн 1.1 ms жана OFF үчүн 45 ms өтүү убактысын билдирет; бирок булакта берилген LC калыңдыгы жана материалдык туруктуулар тиешелүү убакыт-туруктуулук теңдемелерине түз коюлганда бул маанилер кайра алынбайт жана булак ичинде сандык шайкешсиздик бар. Оптикалык мод симуляциялары жарык тандалган каналда кармала аларын көрсөтөт; бирок scattering жана геометриялык waveguide loss эсепке алынбагандыктан реалдуу insertion loss жана crosstalk али сандык жактан тастыкталган эмес. Физикалык прототипти өндүрүү жана сыноо келечектеги иш катары аныкталган. Ошондуктан учурдагы изилдөө төмөн чыңалуудагы үч өлчөмдүү LC фотондук которгучу үчүн эксперименттик жактан толук даярдалган түзүлүштөн көрө, кванттык которгуч тармактарына багытталган сандык жактан талданган түзүлүш архитектурасын сунуштайт.

Эмне үчүн оптикалык которууну үчүнчү өлчөмгө алып чыгуу керек?

Салттуу planar photonic integrated circuit архитектураларында оптикалык жолдор негизинен бир эле беттин үстүндө түзүлөт. Mach–Zehnder interferometer, directional coupler жана multimode-interference негизиндеги которгучтар жогорку көрсөткүч бере алганы менен порттордун саны көбөйгөн сайын горизонталдуу routing татаалдыгы жана талап кылынган чип аянты өсүшү мүмкүн. Сунушталган түзүлүш үстү-үстүнө жайгаштырылган оптикалык катмарларды да routing огу катары колдонуп, фотондук байланыш тыгыздыгын жогорулатууну көздөйт.

Суюк кристалл кантип электрдик waveguide болуп калат?

Нематикалык суюк кристаллдар анизотроптук; жарык көргөн сынуу көрсөткүчү молекулалардын оптикалык огу менен түзгөн бурчуна байланыштуу. Изилдөөдө бул касиет бир LC аймагы чыңалуу абалына жараша cladding же core функциясын аткарышы үчүн колдонулат.

Чыңалуу өчүрүлгөндө молекулалар alignment layer боюнча жайгашат жана оптикалык аймак болжол менен \(n_o\) менен иштейт. Электр талаасы күйгүзүлгөндө молекулалар талаа багытына бурулуп, TM мод көргөн сынуу көрсөткүчүн \(n_e\) жагына жогорулатат. Ошентип физикалык жактан туруктуу LC блоктун ичинде электр аркылуу күйгүзүлүп-өчүрүлө турган waveguide сегменти түзүлөт.

Сунушталган 3×3 архитектура кантип жайгаштырылат?

Үч оптикалык катмарда жалпы тогуз канал бар. Кремний субстратка эң жакын катмарда 1, 4 жана 7; экинчи катмарда 2, 5 жана 8; үчүнчү катмарда 3, 6 жана 9 номерлүү waveguide-дар жайгашат.

Горизонталдуу которуу кантип жасалат?

Булак тексти жана Figure 2 боюнча Area A горизонталдуу которуу аймагы. Баскыч сымал электрод түзүлүшү электр талаасынын профилин түзүп, LCнин жогорку индекстүү аймагы оптикалык жол формасын алат. Мисал багыттоолор 3→6 жана 3→9. Болжол менен 15° өтүү бурчу колдонулуп, кескин оптикалык багыт өзгөрүүлөрүн азайтуу көздөлгөн.

Вертикалдуу которуу кантип жасалат?

Area Bде электроддор суюк кристаллдын үстүндө жана астында жайгаштырылат. Электр талаасын кыйгач колдонуу LC director профилин катмарлар ортосунда жумшак өтүүчү core-га айлантат. Булакта 3→2 жана 3→1 багыттоолору мисал катары берилген жана болжол менен 11° вертикалдуу эңкейиш колдонулган.

Figure 1 caption ичинде horizontal жана vertical аймактар үчүн A/B тамгалары негизги ыкма текстине салыштырмалуу тескери жазылган. Figure 2 жана кийинки түшүндүрмөлөр Aны горизонталдуу, Bни вертикалдуу деп колдогондуктан Verianla ушул дал келүүнү негизге алат.

LC уячасы кайсы катмарлардан турат?

Бул түзүлүш болжол менен 2 µm жалпы калыңдыкты түзөт, ал эми switching теңдемелеринде LC катмарынын калыңдыгы \(d=1.7\ \mu m\) катары колдонулат.

5PCHнин физикалык касиеттери

Кайсы поляризация колдонулушу керек?

Дизайн TM мод үчүн иштелген. Чыңалуу астында эффективдүү waveguide түзүлүшү үчүн жарык extraordinary refractive index \(n_e\) менен байланышышы керек. Ошондуктан түзүлүш табигый түрдө polarization-independent эмес. Unpolarized же mixed-polarization кирүүлөр үчүн polarization splitter–rotator сыяктуу кошумча фотондук компоненттер керек.

Ыкма жана Натыйжалар

Чыңалуу–сынуу көрсөткүчү байланышы

Figure 3 электроддор ортосундагы LC director бурчунун бөлүштүрүлүшүн көрсөтөт. 5 V берилгенде борбордук аймакта молекула бурчу болжол менен 90°ге жетет. Figure 4тө 1550 nm үчүн эсептелген орточо сынуу көрсөткүчү чыңалуу менен кошо өсөт.

Орточо сынуу көрсөткүчү теңдемеси боюнча булак эскертүүсү

Булак Equation (1)де уячанын калыңдыгы боюнча интеграл колдонуп \(\langle n_{LC}\rangle\) аныктайт. Басылган теңдемеде орточо мааниге күтүлгөн \(1/d\) нормалдаштыруу көбөйткүчү көрүнбөйт. Figure 4 болсо жыйынтыкты өлчөмсүз refractive index катары колдонот. Ошондуктан Equation (1) жазылышында нормалдаштыруу жетишсиздиги болушу мүмкүн; Verianla бул формуланы булактан тышкары унчукпай оңдобойт.

Switching time модели

Булак OFF убакыт туруктуусун:

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

жана ON убакыт туруктуусун:

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

деп аныктайт.

Молекула багытталышынын убакыттык жообу:

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

жана:

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

менен моделденет.

Switching-time сандарындагы кайра өндүрүлүү маселеси

Булакта берилген \(\gamma=0.1507\ {\rm Pa\,s}\), \(d=1.7\ \mu m\) жана \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\ {\rm N}\) маанилери Equation (2)ге түз колдонулганда \(\tau_{OFF}\) болжол менен 4.60 ms чыгат; 5 V жана \(V_{th}=1\) V менен Equation (3) болжол менен 0.192 ms берет. Бул маанилер Figure 5теги 25.45 ms жана 0.89 ms менен дал келбейт. Билдирилген 25.45 ms мааниси ошол эле теңдемеде болжол менен 4 µm калыңдык колдонулганда алынат. Ошондуктан Figure 5 жыйынтыктары булакта билдирилген симуляция маанилери катары сакталат, бирок теңдемелерден көз карандысыз кайра тастыкталган деп эсептелбейт.

Жарык waveguide ичинде кармала алабы?

Equivalent Refractive Index ыкмасы менен кирүүдө, LC өтүү аймактарында жана чыгууда beam profile эсептелген. Figure 6да оптикалык интенсивдүүлүк тандалган channel core ичинде кармалган түрдө көрсөтүлгөн.

Planar багыттагы негизги период болжол менен:

4 µm core + 4 µm cladding

жана вертикалдуу катмар калыңдыгы болжол менен:

2 µm

деңгээлинде.

Бирок Figure 6 caption ачык түрдө LC scattering жана waveguide-shape losses эсепке алынбаганын билдирет. Ошондуктан симуляция mode confinementти колдойт, бирок реалдуу insertion loss маанисин аныктабайт.

5 V диэлектрикалык жактан мүмкүнбү?

Бири-бирине жакын LC уяча электроддорунун ортосунда болжол менен 0.1 µm PMMA бар. Булак 5 V үчүн:

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

эсептейт.

Булак колдонгон жука-полимер адабиятындагы 2–5 MV/cm intrinsic breakdown деңгээлине салыштырганда бул маани төмөнүрөөк. Бирок реалдуу breakdown чыңалуусу пленка кемчиликтерине, solvent калдыктарына, cross-linking жана өндүрүш шарттарына сезгич болгондуктан булак бул баалоону физикалык түзүлүштө жүргүзүлгөн ишенимдүүлүк сыноосу менен тастыктаган эмес.

Башка оптикалык которгуч технологиялары менен салыштыруу

“Excellent”, “Good” жана ушул сыяктуу сөздөр стандартташтырылган эксперименттик benchmark баллдары эмес; алар макаланын сапаттык салыштыруу таблицасындагы автордук баалоолор.

10×10 масштабдуулук

Учурдагы LC electrode pixel pitch болжол менен 8 µm. Авторлор келечекте 4–5 µm minimum pitch мүмкүн болушу жана болжол менен 1 mm × 1 mm аянтта 10×10 порттук матрица түзүлүшү мүмкүн деп божомолдошот. Бул жыйынтык физикалык прототип же толук 100-порттук эксперименттик которгуч көрсөтмөсү эмес.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Суюк кристаллдын кош сынуу жүрүм-туруму чыңалуу менен башкарылуучу оптикалык core/cladding өтүүсү үчүн колдонулушу мүмкүн.
• Бир эле LC платформасында горизонталдуу жана вертикалдуу routing үчүн ар башка электрод геометрияларын иштеп чыгууга болот.
• Сунушталган 3×3 архитектура үч фотондук катмарды бир эле которгуч түзүлүшүндө бириктирет.
• 5PCHнин \(n_o\) жана \(n_e\) маанилери PMMA жана PC индекстерине жакын болгондуктан чыңалуу менен башкарылуучу index matching ыкмасы колдонулушу мүмкүн.
• Булак симуляциялары 1550 nmде channel mode confinement көрсөтөт.
• Булак switching simulation 5 V үчүн болжол менен 1.1 ms ON жана 45 ms OFF убактысын билдирет.
• LC которуу механикалык кыймылдуу бөлүк талап кылбайт.
• Үч өлчөмдүү stacking келечекте порт тыгыздыгын жогорулата алган архитектуралык ыкманы сунуштайт.

Изилдөө колдобогон жалпылоолор

• Физикалык 3D LC switch прототиби бул макалада өндүрүлүп өлчөнгөн эмес.
• Реалдуу insertion loss үчүн сандык эксперименттик жыйынтык берилген эмес.
• Crosstalk жана isolation физикалык жактан өлчөнгөн эмес.
• Figure 6 scattering жана геометриялык propagation lossту эсепке албайт.
• 10×10 порттук түзүлүш али ишке ашырыла элек.
• 5 V dielectric reliability реалдуу lifetime тест менен тастыкталган эмес.
• Реалдуу QKD key rate, quantum bit error rate же entanglement fidelity өлчөнгөн эмес.
• Дизайн polarization-independent эмес жана TM кирүүнү талап кылат.
• 1.1 ms / 45 ms switching маанилери булак теңдемелериндеги берилген параметрлер менен түз кайра өндүрүлбөйт.
• Nematic LC которгуч классикалык жогорку ылдамдыктагы packet-level телеком үчүн ылайыктуу эмес.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска изилдөө:Three-Dimensional Liquid Crystal Optical Switch for Quantum Optical Communication.

Авторлор: Takao Tomono жана Rumiko Yamaguchi.

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

Байланыш автору: Takao Tomono.

Журнал:Entropic and Disordered Matter, MDPI.

Библиографиялык жазуу: 2026, 1(1), Article 2.

DOI: 10.3390/edm1010002.

Жарыялоо процесси: Received 23 April 2026; Revised 11 June 2026; Accepted 25 June 2026; Published 9 July 2026.

Жарыялоо статусу: Рецензиядан өткөн, жарыяланган Version of Record.

Лицензия: Creative Commons Attribution, CC BY. Автордук укук авторлордо калат.

Изилдөө түрү: Үч өлчөмдүү photonic switch архитектурасын иштеп чыгуу, нематикалык LC электро-оптикалык моделдөө, effective-index эсептөө, switching-time талдоосу жана оптикалык mode-confinement симуляциясы. Физикалык которгуч прототиби өндүрүлгөн эмес.

Иш толкун узундугу: Сынуу көрсөткүчү жана оптикалык routing талдоолорунда 1550 nm телеком толкун узундугу.

LC материалы: Таза нематикалык 5PCH; polymer-dispersed LC колдонулган эмес.

Поляризация: TM. Mixed же unpolarized кирүүлөр үчүн polarization splitter–rotator талап кылынары булакта айтылат.

Булак ичиндеги Area A/B эскертүүсү: Негизги ыкма тексти жана Figure 2 Area Aны horizontal, Area Bни vertical switching катары аныктайт; Figure 1 captionда A/B тамгалары тескери берилген.

Equation (1) эскертүүсү: “Average refractive index” үчүн берилген калыңдык интегралында басылган теңдемеде \(1/d\) нормалдаштыруу көбөйткүчү көрүнбөйт.

Switching-time QA эскертүүсү: Булак Figure 5те \(\tau_{ON}=0.89\) ms жана \(\tau_{OFF}=25.45\) ms берет. Бирок булакта берилген \(d=1.7\ \mu m\), \(\gamma=0.1507\) Pa·s, \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\) N, \(V=5\) V жана \(V_{th}=1\) V маанилери Equation (2)–(3)кө колдонулганда тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен 4.60 ms OFF жана 0.192 ms ON убакыт туруктуулары алынат. Ошондуктан булак ичиндеги эсептөөнүн кайра өндүрүлүшү чектелүү.

Loss-model чеги: Figure 6 ачык түрдө LC scattering жана waveguide-shape losses эсепке алынбаганын билдирет. Булакта реалдуу insertion loss, crosstalk же isolation мааниси жок.

Редакциялык калдык: Discussion бөлүмүндөгү “I corrected the numbers and the order.” сүйлөмү илимий контексттен тышкары калган редакциялык билдирүү катары Version of Record ичинде бар.

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

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Маалыматтар коомдук эмес, бирок негиздүү суроо-талап боюнча авторлордон алынары айтылган.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришет.

Визуалдык колдонуу: Макала CC BY лицензиясында болгонуна карабастан, Verianlaнын жарыялоо багыты үчүн булактагы Figure 1–6ны түз колдонгондон көрө 3D фотондук катмарларды, LC электроддорун жана багытталган жарык жолдорун оригиналдуу түрдө кайра тартуу ылайыктуу.