[論文レビュー] Breaking Reciprocity in Integrated Photonic Devices Through Dynamic Modulation

Ian A. D. Williamson, Momchil Minkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、チップスケール光子デバイスにおける光学的非再帰性を打破するための動的モード変調技術をレビューし、イソレーターやサーキュレーターなどの非再帰的コンponentsの実現を可能にしている。波導や共振器などの時間変動構造を活用することで、スケーラブルな性能指標を伴い、光波長域で隔離と方向性を実現する。

ABSTRACT

Nonreciprocal components, such as isolators and circulators, are crucial components for photonic systems. In this article we review theoretical and experimental progress towards developing nonreciprocal photonic devices based on dynamic modulation. Particularly, we focus on approaches that operate at optical wavelengths and device architectures that have the potential for chip-scale integration. We first discuss the requirements for constructing an isolator or circulator using dynamic modulation. We review a number of different isolator and circulator architectures, including waveguide and resonant devices, and describe their underlying operating principles. We then compare these device architectures from a system-level performance perspective, considering how their figures of merit, such as footprint, bandwidth, isolation, and insertion loss, scale with respect to device degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 光信号のルーティングと保護に不可欠な、イソレーターおよびサーキュレーターを含む非再帰的コンponentsの顕著な必要性に対処すること。
• 光波長域で非再帰性を実現可能な、動的モード変調に基づくデバイス構造を特定および分析すること。
• フォトニックデバイスのフォトニックフォームファクタ、帯域幅、隔離度、挿入損失といった主要な性能指標に基づき、波導ベースおよび共振型のイソレーターおよびサーキュレーター設計を評価および比較すること。
• デバイスの自由度が、とりわけチップ内統合の文脈において、システムレベルの性能に与える影響を検討すること。

提案手法

• 時間依存の屈折率変調による非再帰性の理論的枠組みを分析し、時間的変動によるLorentz再帰性の破壊に焦点を当てる。
• 時間反転対称性の破壊によって非対称な伝送を誘発する動的モード変調を施された波導ベースの構造を検討する。
• 時間変動する共振モードが周波数変換および非再帰的位相差を可能にする、共振型デバイス構造を検証する。
• 隔離度、挿入損失、帯域幅、フォームファクタといった性能指標を、さまざまなデバイス構成において評価する。
• デバイスの自由度（例：変調深度、周波数、空間的分布）と主要な性能指標との関係を示すスケーリング則を含む分析を行う。
• 統合密度、帯域幅、隔離性能のトレードオフを評価するための比較的システムレベルの評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして動的モード変調を用いて、チップスケールの統合光子デバイスで光学的非再帰性を打破できるか？
• RQ2 時間変動する非再帰的デバイスにおいて、隔離性能、帯域幅、フォームファクタ、挿入損失の間の根本的トレードオフは何か？
• RQ3 波導ベースと共振型の両方のデバイス構造は、スケーラビリティおよびシステムレベルの性能においてどのように比較されるか？
• RQ4 デバイスの自由度（例：変調周波数、変調深度、空間的分布）が、非再帰的コンponentsの性能指標に与える影響は何か？
• RQ5 統合光子デバイスにおける動的モード変調ベースのイソレーターおよびサーキュレーターの実用的制限およびスケーリング特性は何か？

主な発見

• 動的モード変調は、時間的変動する屈折率変調によって時間反転対称性を破ることで、統合光子デバイスにおける非再帰的動作を可能にする。
• 波導ベースおよび共振型の構造は両方とも非再帰性を実現可能であるが、帯域幅、フォームファクタ、隔離性能の面で異なるトレードオフを示す。
• 隔離度と挿入損失は、変調深度および周波数に比例し、より高い変調深度は隔離度を向上させるが、損失が増加する。
• 共振型デバイスは高い隔離度を達成できるが、デチューニングに対してより感受性が高く、変調パrameterの正確な制御が求められる。
• 多くの設計において、フォームファクタと帯域幅は逆相関関係にあり、変調帯域幅とデバイスサイズの相互作用に起因するトレードオフが生じる。
• 隔離度や挿入損失といったシステムレベルの性能指標は、デバイスの自由度を調整することで最適化可能であり、スケーラブルな統合が可能になる。