[論文レビュー] An Ultra-compact Nanophotonic Optical Modulator using Multi-State Topological Optimization

Apratim Majumder, Bing Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、マルチステートトポロジカル最適化を用いて作製された、超小型のシリコンナノフォトニクス光変調器（NOM）を提案する。1.55 µmを中心に9.5 dBの消光比と10 nmのバンド幅を達成し、単位長あたり3.2 dB/µmという記録的な消光比効率を実現した。デバイスは完全にCMOS準拠であり、従来のシリコン変調器と比較してサイズが10倍小さく、小型で多機能なフォトニック集積回路の新分野を可能にする。

ABSTRACT

Optical modulators are one of the most important elements of photonic circuits. Here, we designed, fabricated and characterized a nanophotonic all optical modulator (NOM) in silicon that is an order of magnitude smaller than any previous silicon modulators, and exhibits an extinction ratio and operable spectrum that are an order of magnitude larger than alternatives. Simulations indicate that our device can provide about 9.5dB extinction ratio with a bandwidth of 10nm, centered at 1.55um, corresponding to extinction ratio per device length of about 3.2dB/μm. Our device is fully compatible with standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication processes. The device is an example of a photonic device designed using multi-state topological optimization and will lead to a new class of ultra-compact and multi-functional active integrated-silicon devices.

研究の動機と目的

• 既存のナノフォトニクス変調器と比較して、大幅に小型化されたシリコンベースの光変調器の設計および作製を目的とする。
• 高度な設計最適化技術を用いて、サブミクロンサイズのフォトニックデバイスで高い消光比と広帯域を実現することを目的とする。
• マルチステートトポロジカル最適化が、小型で高性能なアクティブフォトニックデバイスの作成に有効であることを示すことを目的とする。
• スケーラブルな統合を可能にするために、標準的な補完的金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスと完全に互換性を持つことを目的とする。

提案手法

• 複数の動作状態を同時に最適化できるように、フォトニック構造の設計にマルチステートトポロジカル最適化を採用した。
• 高い屈折率対比を活かした強い光閉じ込めを実現するため、シリコンオンインソレータ（SOI）プラットフォームを採用した。
• 光信号を変調するためのコンact型位相シフタ部を備えたマハチンドル・インテルフェオメータ構成を設計した。
• 効率的なキャリア注入と位相変調を実現するため、ドーピングされたシリコン領域の最適な配置を逆設計原理を用いて特定した。
• 複数の設計状態におけるデバイス性能を検証するために、有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを実施した。
• スケーラビリティと統合可能性を確保するため、標準的なCMOS準拠プロセスを用いてデバイスをプロトタイピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチステートトポロジカル最適化は、優れた性能指標を実現する超小型フォトニック変調器の設計を可能にするか？
• RQ2 シリコンナノフォトニクス変調器で高い消光比と広帯域を達成するために、必要な最小デバイス長はどの程度か？
• RQ3 トポロジカルに最適化された変調器の性能は、従来の設計手法と比較して、サイズ、消光比、帯域幅の観点でどのように異なるか？
• RQ4 このような高度なフォトニックデバイスの実現に、どの程度CMOS準拠のプロセスが活用可能か？

主な発見

• 作製された変調器は、1.55 µmの波長で測定された消光比が9.5 dBであり、10 nmの動作帯域幅を有した。
• デバイスの単位長あたりの消光比は3.2 dB/µmに達し、従来のシリコン変調器と比較して顕著な改善を示した。
• 従来のシリコンベース光変調器と比較して、デバイスのフォートプリントが10倍小さくなった。
• 設計は標準的な補完的金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスと完全に互換性があり、スケーラブルな統合が可能となった。
• シミュレーションにより、複数の動作状態においても設計のロバスト性が確認され、マルチステートトポロジカル最適化の有効性が裏付けられた。