[論文レビュー] Active-cavity photonic molecule optical data wavelength converter for silicon photonics platforms

Hayk Gevorgyan, Anatol Khilo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、低電圧RF駆動信号を用いて効率的かつオンチップで光学データ波長変換を実現する、CMOSと互換性のある電気的駆動型アクティブキャビティ光的分子波長変換器を、シリコンフォトニクス分野で初めて実装した。24 GHzの波長シフトに対して最大-13 dBの変換効率と6 GHz帯域幅を達成し、56 GHzのシフトに対しては-18 dBの効率と4.8 GHz帯域幅を達成した。外部の光学的または高出力RFポンプを一切使用せず、4 GbpsのNRZ光学データを正常に変換した。

ABSTRACT

We demonstrate an optical data wavelength converter based on an electrically driven photonic molecule structure comprising two coupled active silicon microring resonators. The converter, supplied by a continuous-wave (CW) microwave drive signal equal in frequency to the desired wavelength shift, replicates an input optical signal at a new wavelength. The optical coupled-cavity system matches supermode resonances to the input and wavelength-converted optical waves maximizing the conversion efficiency. Two device designs that perform wavelength up- and down-conversion by 0.19 nm (24 GHz) with -13 dB conversion efficiency and 6 GHz bandwidth; and by 0.45 nm (56 GHz) with -18 dB efficiency and 5 GHz bandwidth are demonstrated. A 4 Gbps non-return-to-zero (NRZ) optical data stream is shifted in wavelength and successfully recovered. This architecture accepts CMOS-level RF drive voltages and can be integrated in monolithic CMOS electronic-photonic platforms with a simple signal source circuit as part of a self-contained subsystem on chip that generates and carries out the wavelength conversion, requiring no high-frequency (optical or electrical) and high-power external pump input to the chip. This type of device may become a new standard element in the component libraries of silicon and CMOS photonics processes.

研究の動機と目的

• 高出力光学ポンプに依存しない低消費電力で、オンチップで動作するシリコンフォトニクス用光学波長変換器の開発。
• 単一キャビティモジュレータの効率低下の限界を克服するため、結合されたアクティブなマイクロリング共振器を用いる。
• CMOSレベルのRF駆動電圧のみで、高い効率で双方向波長変換（上変換および下変換）を実現する。
• 電子回路とモノリシックに統合された波長変換機能を実現し、外部からの高周波数または高出力入力を排除する。
• 波長分割多重に基づく信号処理を可能にする、新しいシリコンおよびCMOSフォトニクスプロセス設計キット（PDK）用コンponentsの確立。

提案手法

• 本デバイスは、対称および反対称のスーパーモードを持つ、電気的駆動型で結合されたアクティブなシリコンマイクロリング共振器2つからなる光的分子構造を採用している。
• 24 GHzまたは56 GHzのRF信号による電気的変調が、スーパーモード間の周波数変換を誘発し、入力信号を新たな波長にシフトさせる。
• システムは、入力信号が1つのスーパーモードを励起し、RF駆動がエネルギーを他方のスーパーモードに結合することで、効率的な波長変換を実現するように設計されている。
• 理論的モデルは、結合モード理論の枠組みを用い、変換効率を予測しており、2次周波数変換フィルタに類似した応答を示す。
• 変換器は-1.5 VのDCバイアスと、ターゲット周波数での4 Vピーク・ツー・ピークのRF信号を用いて、位相変調と共鳴周波数の調整を実現している。
• CMOS電子回路とのオンチップ統合により、DC電源とオンチップRF信号生成のみで自己完結的な動作が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンフォトニクスにおける二重アクティブキャビティ光的分子構造は、外部の光学ポンプを必要とせず、効率的かつ低消費電力の光学波長変換を実現できるか？
• RQ2 2つのアクティブなマイクロリング共振器間の結合は、広帯域と高い効率で双方向波長変換をどのように可能にするか？
• RQ3 CMOS互換性のあるRF駆動信号とオンチップ信号生成を用いることで、変換効率と帯域幅はどの程度向上できるか？
• RQ4 このようなデバイスは、電子回路とモノリシックに統合され、外部からの高周波数または高出力入力が不要な自己完結型のポンプフリーなサブシステムとして1チップ上に実現可能か？
• RQ5 このアーキテクチャで達成可能な最大データレートは何か？外部フィルタリングおよびデバイス帯域幅の制限要因は何か？

主な発見

• 24 GHzのシフト（±0.19 nm）に対しては-13 dBの変換効率と6 GHz帯域幅を達成し、56 GHzのシフト（±0.45 nm）に対しては-18 dBの効率と4.8 GHz帯域幅を達成した。
• 4 Gbpsの非帰零（NRZ）光学データストリームが正常に波長シフトされ、復元され、アイダイアグラムにより信号整合性が確認された。
• システムは双方向動作をサポートしており、一方の方向で上変換、反対方向で下変換が可能であり、両者で同等の効率を達成している。
• 単一キャビティモジュレータの効率低下（光子寿命制限）を克服し、本デバイスの変換効率は15–50 dB高い。
• 外部の高周波数または高出力光学入力が不要で、CMOSレベルのRF駆動電圧とDC電源でのみ動作する。
• 結合モード理論に基づく理論的モデルは、測定された変換効率と応答形状を正確に予測しており、設計手法の妥当性が裏付けられた。