Fotonik integral sxemalarda optik kalitlarning katta qismi yorug‘likni faqat chip yuzasiga parallel tekislikda yo‘naltiradi. Portlar soni ortgani sari bu ikki o‘lchamli tuzilma ulanish yo‘llarining uzayishiga va chip maydonining kattalashishiga olib kelishi mumkin. Ushbu tadqiqot nematik suyuq kristallning elektr maydoni ta’sirida o‘zgartiriladigan ikki nur sindirish xususiyatidan foydalanib, yorug‘likni bir xil fotonik qatlam ichida gorizontal va ustma-ust joylashtirilgan turli qatlamlar orasida vertikal yo‘naltira oladigan uch o‘lchamli optik kalit arxitekturasini taklif qiladi. Dizaynda polycarbonate (PC) yadrosining sinish ko‘rsatkichi 1.583, PMMA cladding ning sinish ko‘rsatkichi 1.482. Ishlatilgan 5PCH suyuq kristallining extraordinary va ordinary sinish ko‘rsatkichlari mos ravishda \(n_e=1.5918\) va \(n_o=1.4739\) bo‘lib, bu qiymatlar PC va PMMA bilan yaqin moslashuvni ta’minlaydi. Kuchlanish berilmaganda LC cladding ga o‘xshash past indeksli holatda qoladi, elektr maydoni esa molekulalarni aylantirib, samarali sinish ko‘rsatkichini oshiradi va vaqtinchalik optik core hosil qiladi. Elektrod geometriyasi ushbu kuchlanish bilan boshqariladigan core ni gorizontal yoki vertikal shakllantirib, uch qatlamli 3×3 kalit arxitekturasida yorug‘likning kanallar orasida qayta yo‘naltirilishini ta’minlaydi. Manba taxminan 5 V drive ostida ON uchun 1.1 ms va OFF uchun 45 ms o‘tish vaqtini qayd etadi; biroq manbada berilgan LC qalinligi va material doimiylari tegishli vaqt-doimiysi tenglamalariga to‘g‘ridan-to‘g‘ri qo‘yilganda bu qiymatlar qayta olinmaydi va manba ichida sonli nomuvofiqlik mavjud. Optik mod simulyatsiyalari yorug‘lik tanlangan kanalda qamalib qolishi mumkinligini ko‘rsatadi; biroq scattering va geometrik waveguide loss hisobga kiritilmagani uchun haqiqiy insertion loss va crosstalk hali miqdoriy tasdiqlanmagan. Jismoniy prototipni ishlab chiqarish va sinash kelajakdagi ish sifatida belgilanadi. Shu sababli mavjud tadqiqot past kuchlanishli uch o‘lchamli LC fotonik kaliti uchun tajribaviy jihatdan yakunlangan qurilmadan ko‘ra, kvant kalit tarmoqlariga mo‘ljallangan sonli tahlil qilingan qurilma arxitekturasini taqdim etadi.

Nega optik kalitlashni uchinchi o‘lchamga olib chiqish kerak?

An’anaviy planar photonic integrated circuit arxitekturalarida optik yo‘llar asosan bir xil sirt ustida yaratiladi. Mach–Zehnder interferometer, directional coupler va multimode-interference asosidagi kalitlar yuqori samaradorlik bera olsa-da, portlar soni ko‘paygani sari gorizontal routing murakkabligi va talab qilinadigan chip maydoni oshishi mumkin. Taklif etilgan tuzilma ustma-ust joylashtirilgan optik qatlamlarni ham routing o‘qi sifatida ishlatib, fotonik ulanish zichligini oshirishni maqsad qiladi.

Suyuq kristall qanday qilib elektr waveguide ga aylanadi?

Nematik suyuq kristallar anizotropdir; yorug‘lik ko‘radigan sinish ko‘rsatkichi molekulalarning optik o‘q bilan hosil qilgan burchagiga bog‘liq. Tadqiqotda ushbu xususiyat bitta LC hududi kuchlanish holatiga qarab cladding yoki core vazifasini bajarishi uchun ishlatiladi.

Kuchlanish o‘chirilganda molekulalar alignment layer bo‘ylab joylashadi va optik hudud taxminan \(n_o\) bilan ishlaydi. Elektr maydoni yoqilganda molekulalar maydon yo‘nalishi bo‘ylab aylanishi sababli TM mod ko‘radigan sinish ko‘rsatkichi \(n_e\) tomon oshadi. Shu tariqa jismonan o‘zgarmas LC blokining ichida elektr bilan yoqib-o‘chiriladigan waveguide segmenti hosil bo‘ladi.

Taklif etilgan 3×3 arxitektura qanday joylashtiriladi?

Uchta optik qatlamda jami to‘qqizta kanal mavjud. Silikon taglikka eng yaqin qatlamda 1, 4 va 7; ikkinchi qatlamda 2, 5 va 8; uchinchi qatlamda 3, 6 va 9 raqamli waveguide lar joylashadi.

Gorizontal kalitlash qanday amalga oshiriladi?

Manba matni va Figure 2 ga ko‘ra Area A gorizontal kalitlash hududidir. Pog‘onasimon elektrod tuzilmasi elektr maydon profilini hosil qiladi va LC ning yuqori indeksli hududi optik yo‘l shaklini oladi. Namuna yo‘naltirishlar 3→6 va 3→9. Taxminan 15° o‘tish burchagidan foydalanib, keskin optik yo‘nalish o‘zgarishlarini kamaytirish maqsad qilingan.

Vertikal kalitlash qanday amalga oshiriladi?

Area B da elektrodlar suyuq kristallning yuqori va pastki qismida joylashtiriladi. Elektr maydonini qiya qo‘llash LC director profilini qatlamlar orasida silliq o‘tuvchi core ga aylantiradi. Manbada 3→2 va 3→1 yo‘naltirishlari misol qilib berilgan va taxminan 11° vertikal qiyalik ishlatilgan.

Figure 1 caption da horizontal va vertical hududlar uchun A/B harflari asosiy usul matniga nisbatan teskari yozilgan. Figure 2 va keyingi izohlar A ni gorizontal, B ni vertikal deb qo‘llab-quvvatlagani sababli Verianla shu moslikni asos qilib oladi.

LC hujayrasi qaysi qatlamlardan iborat?

Bu tuzilma taxminan 2 µm umumiy qalinlikni hosil qiladi, switching tenglamalarida esa LC qatlamining qalinligi \(d=1.7\ \mu m\) sifatida ishlatiladi.

5PCH ning fizik xususiyatlari

Qaysi polarizatsiya ishlatilishi kerak?

Dizayn TM mod uchun tuzilgan. Kuchlanish ostida samarali waveguide hosil qilish uchun yorug‘lik extraordinary refractive index \(n_e\) bilan bog‘lanishi kerak. Shu sababli qurilma tabiiy holida polarization-independent emas. Unpolarized yoki mixed-polarization kirishlar uchun polarization splitter–rotator kabi qo‘shimcha fotonik komponentlar kerak.

Usul va Natijalar

Kuchlanish–sinish ko‘rsatkichi munosabati

Figure 3 elektrodlar orasidagi LC director burchagi taqsimotini ko‘rsatadi. 5 V berilganda markaziy hududda molekula burchagi taxminan 90° ga yetadi. Figure 4 da 1550 nm uchun hisoblangan o‘rtacha sinish ko‘rsatkichi kuchlanish bilan birga oshadi.

O‘rtacha sinish ko‘rsatkichi tenglamasidagi manba izohi

Manba Equation (1) da hujayra qalinligi bo‘ylab integral yordamida \(\langle n_{LC}\rangle\) ni ta’riflaydi. Bosilgan tenglamada o‘rtacha qiymat uchun kutiladigan \(1/d\) normallashtirish ko‘paytuvchisi ko‘rinmaydi. Figure 4 esa natijani o‘lchamsiz refractive index sifatida ishlatadi. Shu sababli Equation (1) yozilishida normallashtirish yetishmasligi bo‘lishi mumkin; Verianla bu formulani manbadan tashqari tarzda sukut bilan tuzatmaydi.

Switching time modeli

Manba OFF vaqt doimiysini:

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

va ON vaqt doimiysini:

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

deb ta’riflaydi.

Molekula yo‘nalishining vaqtga bog‘liq javobi:

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

va:

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

bilan modellashtiriladi.

Switching-time raqamlarida qayta ishlab chiqarish muammosi

Manbada berilgan \(\gamma=0.1507\ {\rm Pa\,s}\), \(d=1.7\ \mu m\) va \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\ {\rm N}\) qiymatlari Equation (2) ga to‘g‘ridan-to‘g‘ri qo‘llanganda \(\tau_{OFF}\) taxminan 4.60 ms chiqadi; 5 V va \(V_{th}=1\) V bilan Equation (3) taxminan 0.192 ms beradi. Bu qiymatlar Figure 5 dagi 25.45 ms va 0.89 ms bilan mos kelmaydi. Qayd etilgan 25.45 ms qiymatini shu tenglamada taxminan 4 µm qalinlikdan foydalanib olish mumkin. Shu sababli Figure 5 natijalari manbada qayd etilgan simulyatsiya qiymatlari sifatida saqlanadi, biroq tenglamalardan mustaqil qayta tasdiqlangan deb hisoblanmaydi.

Yorug‘lik waveguide ichida ushlab turiladimi?

Equivalent Refractive Index yondashuvi yordamida kirish, LC o‘tish hududlari va chiqishdagi beam profile hisoblangan. Figure 6 da optik intensivlik tanlangan channel core ichida qamalgan holda ko‘rsatilgan.

Planar yo‘nalishdagi asosiy period taxminan:

4 µm core + 4 µm cladding

va vertikal qatlam qalinligi taxminan:

2 µm

darajasida.

Biroq Figure 6 caption aniq ravishda LC scattering va waveguide-shape losses hisobga olinmaganini bildiradi. Shu sababli simulyatsiya mode confinement ni qo‘llab-quvvatlaydi, ammo haqiqiy insertion loss qiymatini aniqlamaydi.

5 V dielektrik nuqtai nazardan mumkinmi?

Bir-biriga yaqin LC hujayra elektrodlari orasida taxminan 0.1 µm PMMA mavjud. Manba 5 V uchun:

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

hisoblaydi.

Manba ishlatgan yupqa-polimer adabiyotidagi 2–5 MV/cm intrinsic breakdown darajasiga qaraganda bu qiymat pastroq. Biroq real breakdown kuchlanishi plyonka nuqsonlari, solvent qoldiqlari, cross-linking va ishlab chiqarish sharoitlariga sezgir bo‘lgani uchun manba bu bahoni jismoniy qurilmada o‘tkazilgan ishonchlilik testi bilan tasdiqlamagan.

Boshqa optik kalit texnologiyalari bilan taqqoslash

“Excellent”, “Good” va shunga o‘xshash iboralar standartlashtirilgan tajribaviy benchmark ballari emas; ular maqolaning sifatli taqqoslash jadvalidagi muallif baholaridir.

10×10 masshtablanuvchanlik

Mavjud LC electrode pixel pitch taxminan 8 µm. Mualliflar kelajakda 4–5 µm minimum pitch mumkin bo‘lishi va taxminan 1 mm × 1 mm maydonda 10×10 portli matritsa yaratilishi mumkinligini taxmin qiladilar. Bu natija jismoniy prototip yoki to‘liq 100-portli tajribaviy kalit namoyishi emas.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan natijalar

• Suyuq kristallning ikki nur sindiruvchi xatti-harakati kuchlanish bilan boshqariladigan optik core/cladding o‘tishi uchun ishlatilishi mumkin.
• Bir xil LC platformasida gorizontal va vertikal routing uchun turli elektrod geometriyalari loyihalash mumkin.
• Taklif etilgan 3×3 arxitektura uchta fotonik qatlamni bitta kalit tuzilmasida birlashtiradi.
• 5PCH ning \(n_o\) va \(n_e\) qiymatlari PMMA va PC indekslariga yaqin bo‘lgani sababli kuchlanish bilan boshqariladigan index matching yondashuvi qo‘llanishi mumkin.
• Manba simulyatsiyalari 1550 nm da channel mode confinement ni ko‘rsatadi.
• Manba switching simulation 5 V uchun taxminan 1.1 ms ON va 45 ms OFF vaqtini qayd etadi.
• LC kalitlash mexanik harakatlanuvchi qismni talab qilmaydi.
• Uch o‘lchamli stacking kelajakda port zichligini oshirishi mumkin bo‘lgan arxitektura yondashuvini taqdim etadi.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan umumlashtirishlar

• Jismoniy 3D LC switch prototipi ushbu maqolada ishlab chiqarilib o‘lchanmagan.
• Haqiqiy insertion loss uchun sonli tajriba natijasi berilmagan.
• Crosstalk va isolation jismonan o‘lchanmagan.
• Figure 6 scattering va geometrik propagation loss ni hisobga olmaydi.
• 10×10 portli qurilma hali amalga oshirilmagan.
• 5 V dielectric reliability real lifetime testi bilan tasdiqlanmagan.
• Haqiqiy QKD key rate, quantum bit error rate yoki entanglement fidelity o‘lchanmagan.
• Dizayn polarization-independent emas va TM kirishni talab qiladi.
• 1.1 ms / 45 ms switching qiymatlari manba tenglamalarida berilgan parametrlar bilan to‘g‘ridan-to‘g‘ri qayta olinmaydi.
• Nematic LC kalit klassik yuqori tezlikdagi packet-level telekom uchun mos emas.

Manba va Usul Izohi

Asl tadqiqot:Three-Dimensional Liquid Crystal Optical Switch for Quantum Optical Communication.

Mualliflar: Takao Tomono va Rumiko Yamaguchi.

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

Aloqa muallifi: Takao Tomono.

Jurnal:Entropic and Disordered Matter, MDPI.

Bibliografik qayd: 2026, 1(1), Article 2.

DOI: 10.3390/edm1010002.

Nashr jarayoni: Received 23 April 2026; Revised 11 June 2026; Accepted 25 June 2026; Published 9 July 2026.

Nashr holati: Ekspert baholashidan o‘tgan, chop etilgan Version of Record.

Litsenziya: Creative Commons Attribution, CC BY. Mualliflik huquqi mualliflarda qoladi.

Tadqiqot turi: Uch o‘lchamli photonic switch arxitekturasini ishlab chiqish, nematik LC elektro-optik modellashtirish, effective-index hisoblash, switching-time tahlili va optik mode-confinement simulyatsiyasi. Jismoniy kalit prototipi ishlab chiqarilmagan.

Ish to‘lqin uzunligi: Sinish ko‘rsatkichi va optik routing tahlillarida 1550 nm telekom to‘lqin uzunligi.

LC materiali: Sof nematik 5PCH; polymer-dispersed LC ishlatilmagan.

Polarizatsiya: TM. Mixed yoki unpolarized kirishlar uchun polarization splitter–rotator talabi manbada qayd etilgan.

Manba ichidagi Area A/B izohi: Asosiy usul matni va Figure 2 Area A ni horizontal, Area B ni vertical switching deb ta’riflaydi; Figure 1 caption da A/B harflari teskari berilgan.

Equation (1) izohi: “Average refractive index” uchun berilgan qalinlik integrali tenglamasida \(1/d\) normallashtirish ko‘paytuvchisi ko‘rinmaydi.

Switching-time QA izohi: Manba Figure 5 da \(\tau_{ON}=0.89\) ms va \(\tau_{OFF}=25.45\) ms beradi. Biroq manbada berilgan \(d=1.7\ \mu m\), \(\gamma=0.1507\) Pa·s, \(K_{11}=9.6\times10^{-12}\) N, \(V=5\) V va \(V_{th}=1\) V qiymatlari Equation (2)–(3) ga qo‘llanganda mos ravishda taxminan 4.60 ms OFF va 0.192 ms ON vaqt doimiylari olinadi. Shu sababli manba ichidagi hisob-kitobning qayta ishlab chiqarilishi cheklangan.

Loss-model chegarasi: Figure 6 aniq ravishda LC scattering va waveguide-shape losses hisobga olinmaganini bildiradi. Manbada haqiqiy insertion loss, crosstalk yoki isolation qiymati yo‘q.

Tahririy qoldiq: Discussion bo‘limidagi “I corrected the numbers and the order.” jumlasi ilmiy kontekstdan tashqarida qolgan tahrir ifodasi sifatida Version of Record da mavjud.

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

Ma’lumot mavjudligi: Ma’lumotlar ommaviy emasligi, biroq asosli so‘rov bo‘yicha mualliflardan olinishi mumkinligi bildirilgan.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bildirgan.

Vizual foydalanish: Maqola CC BY litsenziyasida bo‘lsa-da, Verianla nashr yo‘nalishi nuqtai nazaridan manba Figure 1–6 ni aynan ishlatish o‘rniga 3D fotonik qatlamlar, LC elektrodlar va yo‘naltirilgan yorug‘lik yo‘llarini original tarzda qayta chizish maqsadga muvofiq.