Дар схемаҳои интегралии фотонӣ қисми зиёди коммутаторҳои оптикӣ нурро танҳо дар ҳамвории параллел ба рӯйи чип роҳнамоӣ мекунанд. Бо зиёд шудани шумораи портҳо ин сохтори дученака метавонад боиси дароз шудани роҳҳои пайвастшавӣ ва калон шудани масоҳати чип гардад. Ин таҳқиқот меъмории коммутатори оптикии сеченакаро пешниҳод мекунад, ки аз дучандашикании тағйирёбандаи кристалли моеъи нематикӣ зери таъсири майдони электрикӣ истифода бурда, нурро ҳам дар дохили як қабати фотонӣ ба таври уфуқӣ ва ҳам байни қабатҳои гуногуни болои ҳам ҷойгиршуда ба таври амудӣ роҳнамоӣ карда метавонад. Дар тарҳ нишондиҳандаи шикасти core-и polycarbonate (PC) 1.583 ва нишондиҳандаи шикасти PMMA cladding 1.482 мебошад. Нишондиҳандаҳои шикасти extraordinary ва ordinary-и кристалли моеъи 5PCH, ки истифода шудааст, мутаносибан \(n_e=1.5918\) ва \(n_o=1.4739\) буда, бо PC ва PMMA мувофиқати наздик медиҳанд. Ҳангоми татбиқ нашудани шиддат LC дар ҳолати low-index-и монанд ба cladding мемонад, дар ҳоле ки майдони электрикӣ молекулаҳоро гардонда, нишондиҳандаи шикасти самаранокро баланд мекунад ва core-и муваққатии оптикӣ месозад. Геометрияи электрод ин core-и бо шиддат идорашавандаро ба шакли уфуқӣ ё амудӣ ташаккул дода, дар меъмории коммутатори сеқабатаи 3×3 имкон медиҳад нур байни каналҳо аз нав роҳнамоӣ шавад. Манбаъ дар зери drive-и тақрибан 5 V барои ON вақти гузариши 1.1 ms ва барои OFF 45 ms гузориш медиҳад; аммо вақте ғафсии LC ва собитҳои маводии дар манбаъ додашуда бевосита ба муодилаҳои мувофиқи time constant гузошта мешаванд, ин арзишҳо дубора ҳосил намешаванд ва дар дохили манбаъ номувофиқии ададӣ вуҷуд дорад. Симулятсияҳои оптикии mode нишон медиҳанд, ки нур метавонад дар канали интихобшуда маҳдуд карда шавад; аммо азбаски scattering ва geometric waveguide loss ба ҳисоб дохил нашудаанд, real insertion loss ва crosstalk ҳанӯз ба таври миқдорӣ тасдиқ нашудаанд. Сохтан ва санҷиши прототипи физикӣ ҳамчун future work муайян шудааст. Аз ин рӯ, таҳқиқоти кунунӣ барои коммутатори фотонии сеченакаи LC бо шиддати паст бештар меъмории дастгоҳеро пешниҳод мекунад, ки барои шабакаҳои квантии коммутатсионӣ ба таври ададӣ таҳлил шудааст, на дастгоҳи таҷрибавии пурра анҷомёфта.

Чаро коммутатсияи оптикиро бояд ба ченаки сеюм гузаронд?

Дар меъмориҳои анъанавии planar photonic integrated circuit роҳҳои оптикӣ асосан дар як сатҳ сохта мешаванд. Гарчанде коммутаторҳои бар асоси Mach–Zehnder interferometer, directional coupler ва multimode-interference метавонанд performance-и баланд диҳанд, бо зиёд шудани шумораи портҳо мураккабии horizontal routing ва масоҳати зарурии чип метавонад афзоиш ёбад. Сохтори пешниҳодшуда ҳадаф дорад, ки қабатҳои оптикии болои ҳам ҷойгиршударо низ ҳамчун routing axis истифода бурда, зичии пайвастҳои фотониро зиёд кунад.

Кристалли моеъ чӣ гуна ба electrical waveguide табдил меёбад?

Кристаллҳои моеъи нематикӣ анизотропӣ мебошанд; нишондиҳандаи шикасте, ки нур мебинад, аз кунҷи байни молекулаҳо ва меҳвари оптикӣ вобаста аст. Дар таҳқиқот ин хусусият барои он истифода мешавад, ки як минтақаи LC вобаста ба ҳолати шиддат ҳамчун cladding ё core амал кунад.

Ҳангоми хомӯш будани шиддат молекулаҳо дар тӯли alignment layer ҷойгир мешаванд ва минтақаи оптикӣ тақрибан бо \(n_o\) рафтор мекунад. Вақте майдони электрикӣ фаъол мешавад, молекулаҳо ба самти майдон мегарданд ва нишондиҳандаи шикастеро, ки TM mode мебинад, ба сӯи \(n_e\) баланд мекунанд. Ҳамин тавр, дар дохили блоки LC-и аз ҷиҳати физикӣ собит сегменти waveguide ба вуҷуд меояд, ки бо роҳи электрикӣ фаъол ва ғайрифаъол карда мешавад.

Меъмории пешниҳодшудаи 3×3 чӣ гуна ҷойгир карда шудааст?

Дар се қабати оптикӣ ҳамагӣ нӯҳ канал мавҷуд аст. Дар қабати наздиктарин ба substrate-и силикон waveguide-ҳои 1, 4 ва 7; дар қабати дуюм 2, 5 ва 8; ва дар қабати сеюм 3, 6 ва 9 ҷойгир шудаанд.

Коммутатсияи уфуқӣ чӣ гуна анҷом дода мешавад?

Тибқи матни манбаъ ва Figure 2, Area A минтақаи коммутатсияи уфуқӣ мебошад. Сохтори электроди зинашакл профили майдони электрикиро месозад ва минтақаи high-index-и LC шакли роҳи оптикиро мегирад. Намунаҳои routing 3→6 ва 3→9 мебошанд. Бо истифода аз кунҷи гузариши тақрибан 15° ҳадаф кам кардани тағйироти ногаҳонии самти оптикӣ мебошад.

Коммутатсияи амудӣ чӣ гуна анҷом дода мешавад?

Дар Area B электродҳо дар боло ва поёни кристалли моеъ ҷойгир мешаванд. Татбиқи майдони электрикӣ бо майл профили LC director-ро ба core-е табдил медиҳад, ки байни қабатҳо гузариши мулоим мекунад. Дар манбаъ routing-ҳои 3→2 ва 3→1 ҳамчун намуна оварда шуда, майли амудии тақрибан 11° истифода шудааст.

Дар Figure 1 caption ҳарфҳои A/B барои минтақаҳои horizontal ва vertical нисбат ба матни асосии усул баръакс навишта шудаанд. Азбаски Figure 2 ва шарҳҳои минбаъда A-ро уфуқӣ ва B-ро амудӣ дастгирӣ мекунанд, Verianla ҳамин мувофиқаткуниро асос мегирад.

Ҳуҷайраи LC аз кадом қабатҳо иборат аст?

Ин сохтор ғафсии умумии тақрибан 2 µm медиҳад, дар ҳоле ки дар switching equations ғафсии қабати LC ҳамчун \(d=1.7\ \mu m\) истифода мешавад.

Хусусиятҳои физикии 5PCH

Кадом polarization бояд истифода шавад?

Тарҳ барои TM mode сохта шудааст. Барои он ки зери шиддат waveguide-и самаранок ба вуҷуд ояд, нур бояд бо extraordinary refractive index \(n_e\) coupling кунад. Аз ин рӯ, дастгоҳ табиатан polarization-independent нест. Барои unpolarized ё mixed-polarization inputs ҷузъҳои иловагии фотонӣ, аз қабили polarization splitter–rotator, лозим мешаванд.

Усул ва Натиҷаҳо

Муносибати шиддат–нишондиҳандаи шикаст

Figure 3 тақсимоти кунҷи LC director байни электродҳоро нишон медиҳад. Ҳангоми татбиқи 5 V кунҷи молекула дар минтақаи марказӣ тақрибан ба 90° мерасад. Дар Figure 4 average refractive index-и ҳисобшуда барои 1550 nm бо зиёд шудани шиддат боло меравад.

Ёддошти манбаъ оид ба муодилаи average refractive index

Манбаъ дар Equation (1) бо истифода аз integral дар тӯли ғафсии cell \(\langle n_{LC}\rangle\)-ро муайян мекунад. Дар муодилаи чопшуда \(1/d\) normalization factor-и интизоршаванда барои average дида намешавад. Figure 4 бошад натиҷаро ҳамчун dimensionless refractive index истифода мебарад. Аз ин рӯ, мумкин аст дар typesetting-и Equation (1) normalization omission вуҷуд дошта бошад; Verianla ин формуларо берун аз манбаъ хомӯшона ислоҳ намекунад.

Модели switching time

Манбаъ OFF time constant-ро чунин муайян мекунад:

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

ва ON time constant-ро:

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

.

Посухи замонии самтгирии молекулаҳо бо:

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

ва:

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

моделсозӣ мешавад.

Мушкилоти reproducibility дар рақамҳои switching-time

Агар арзишҳои \(\gamma=0.1507\ {\rm Pa\,s}\), \(d=1.7\ \mu m\) ва \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\ {\rm N}\), ки дар манбаъ дода шудаанд, бевосита ба Equation (2) гузошта шаванд, \(\tau_{OFF}\) тақрибан 4.60 ms мебарояд; бо 5 V ва \(V_{th}=1\) V Equation (3) тақрибан 0.192 ms медиҳад. Ин арзишҳо бо 25.45 ms ва 0.89 ms-и Figure 5 мувофиқат намекунанд. Арзиши гузоришшудаи 25.45 ms-ро дар ҳамон муодила бо истифодаи ғафсии тақрибан 4 µm метавон гирифт. Аз ин рӯ, натиҷаҳои Figure 5 ҳамчун simulation values-и гузоришшуда дар манбаъ нигоҳ дошта мешаванд, аммо аз рӯйи муодилаҳо мустақилона бозтасдиқшуда ҳисоб намешаванд.

Оё нур метавонад дар дохили waveguide нигоҳ дошта шавад?

Бо истифода аз Equivalent Refractive Index approach, beam profile дар input, LC transition regions ва output ҳисоб карда шудааст. Дар Figure 6 optical intensity дар дохили channel core-и интихобшуда маҳдуд нишон дода мешавад.

Периоди асосӣ дар самти planar тақрибан:

4 µm core + 4 µm cladding

ва ғафсии қабати амудӣ тақрибан:

2 µm

мебошад.

Аммо Figure 6 caption ба таври равшан мегӯяд, ки LC scattering ва waveguide-shape losses ба ҳисоб гирифта нашудаанд. Аз ин рӯ, симулятсия mode confinement-ро дастгирӣ мекунад, вале real insertion loss value-ро муайян намекунад.

Оё 5 V аз нигоҳи dielectric имконпазир аст?

Байни электродҳои наздики LC cell тақрибан 0.1 µm PMMA ҷойгир аст. Барои 5 V манбаъ ҳисоб мекунад:

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

.

Дар муқоиса бо 2–5 MV/cm intrinsic breakdown level дар thin-polymer literature, ки манбаъ истифода мекунад, ин арзиш пасттар аст. Бо вуҷуди ин, азбаски real breakdown voltage ба film defects, solvent residues, cross-linking ва fabrication conditions ҳассос аст, манбаъ ин арзёбиро бо reliability test дар physical device тасдиқ накардааст.

Муқоиса бо технологияҳои дигари optical switch

Ифодаҳои “Excellent”, “Good” ва монанди инҳо standardized experimental benchmark score нестанд; онҳо арзёбии муаллифон дар qualitative comparison table-и мақола мебошанд.

Миқёспазирии 10×10

LC electrode pixel pitch-и ҳозира тақрибан 8 µm аст. Муаллифон тахмин мекунанд, ки дар оянда minimum pitch-и 4–5 µm имконпазир шуда, дар масоҳати тақрибан 1 mm × 1 mm матритсаи 10×10 порт сохта мешавад. Ин натиҷа physical prototype ё demonstration-и коммутатори таҷрибавии пурраи 100-портӣ нест.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Рафтори дучандашикании кристалли моеъ метавонад барои voltage-controlled optical core/cladding transition истифода шавад.
• Дар ҳамон LC platform барои horizontal ва vertical routing геометрияҳои гуногуни электрод тарҳрезӣ кардан мумкин аст.
• Меъмории пешниҳодшудаи 3×3 се қабати фотониро дар як сохтори коммутатор муттаҳид мекунад.
• Азбаски арзишҳои \(n_o\) ва \(n_e\)-и 5PCH ба индексҳои PMMA ва PC наздиканд, voltage-controlled index matching approach метавонад истифода шавад.
• Симулятсияҳои манбаъ дар 1550 nm channel mode confinement нишон медиҳанд.
• Source switching simulation барои 5 V тақрибан 1.1 ms ON ва 45 ms OFF гузориш медиҳад.
• LC switching mechanical moving part талаб намекунад.
• Three-dimensional stacking як architectural approach пешниҳод мекунад, ки метавонад дар оянда port density-ро зиёд кунад.

Умумисозиҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Physical 3D LC switch prototype дар ин мақола сохта ё чен карда нашудааст.
• Барои real insertion loss numerical experimental result дода нашудааст.
• Crosstalk ва isolation физикӣ чен карда нашудаанд.
• Figure 6 scattering ва geometric propagation loss-ро ба ҳисоб намегирад.
• Дастгоҳи 10×10 портӣ ҳанӯз амалӣ нашудааст.
• 5 V dielectric reliability бо real lifetime test тасдиқ нашудааст.
• Real QKD key rate, quantum bit error rate ё entanglement fidelity чен карда нашудааст.
• Тарҳ polarization-independent нест ва TM input талаб мекунад.
• Арзишҳои switching-и 1.1 ms / 45 ms бо параметрҳои додашуда дар source equations бевосита дубора ҳосил намешаванд.
• Nematic LC switch барои classical high-speed packet-level telecom мувофиқ нест.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Таҳқиқоти аслӣ:Three-Dimensional Liquid Crystal Optical Switch for Quantum Optical Communication.

Муаллифон: Takao Tomono ва Rumiko Yamaguchi.

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

Муаллифи иртибот: Takao Tomono.

Маҷалла:Entropic and Disordered Matter, MDPI.

Сабти библиографӣ: 2026, 1(1), Article 2.

DOI: 10.3390/edm1010002.

Раванди нашр: Received 23 April 2026; Revised 11 June 2026; Accepted 25 June 2026; Published 9 July 2026.

Мақоми нашр: Version of Record-и нашршуда ва аз peer review гузашта.

Литсензия: Creative Commons Attribution, CC BY. Ҳуқуқи муаллиф дар ихтиёри муаллифон мемонад.

Навъи таҳқиқот: Таҳияи меъмории three-dimensional photonic switch, нематикӣ LC electro-optic modeling, effective-index calculation, switching-time analysis ва optical mode-confinement simulation. Physical switch prototype сохта нашудааст.

Дарозии мавҷи корӣ: 1550 nm telecom wavelength дар таҳлилҳои refractive index ва optical routing.

Маводи LC: Pure nematic 5PCH; polymer-dispersed LC истифода нашудааст.

Polarization: TM. Манбаъ барои mixed ё unpolarized inputs талаботи polarization splitter–rotator-ро зикр мекунад.

Ёддошти Area A/B дар дохили манбаъ: Main method text ва Figure 2 Area A-ро horizontal ва Area B-ро vertical switching муайян мекунанд; дар Figure 1 caption ҳарфҳои A/B баръакс оварда шудаанд.

Ёддошти Equation (1): Дар thickness integral барои “Average refractive index” \(1/d\) normalization factor дар муодилаи чопшуда дида намешавад.

Ёддошти Switching-time QA: Манбаъ дар Figure 5 \(\tau_{ON}=0.89\) ms ва \(\tau_{OFF}=25.45\) ms медиҳад. Аммо бо татбиқи арзишҳои \(d=1.7\ \mu m\), \(\gamma=0.1507\) Pa·s, \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\) N, \(V=5\) V ва \(V_{th}=1\) V аз манбаъ ба Equation (2)–(3), мутаносибан time constants-и тақрибан 4.60 ms OFF ва 0.192 ms ON ҳосил мешаванд. Аз ин рӯ, reproducibility-и calculation дар дохили манбаъ маҳдуд аст.

Маҳдудияти Loss-model: Figure 6 ба таври равшан мегӯяд, ки LC scattering ва waveguide-shape losses ба ҳисоб гирифта нашудаанд. Дар манбаъ real insertion loss, crosstalk ё isolation value вуҷуд надорад.

Боқимондаи редаксионӣ: Ҷумлаи “I corrected the numbers and the order.” дар бахши Discussion ҳамчун editing statement-и берун аз scientific context дар Version of Record боқӣ мондааст.

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

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маълумот public нест, аммо бо reasonable request аз муаллифон дастрас мешавад.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон conflict of interest надоштанро эълон мекунанд.

Истифодаи визуалӣ: Гарчанде мақола бо литсензияи CC BY нашр шудааст, аз нигоҳи хатти нашрии Verianla беҳтар аст ба ҷойи истифодаи мустақими Figure 1–6, 3D photonic layers, LC electrodes ва routed light paths ба таври аслӣ аз нав кашида шаванд.