[論文レビュー] Compact Dual-Polarization Silicon Integrated Couplers for Multicore Fibers

Julián L. Pita, Lucas G. Rocha+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 22被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、32 µmのコア間隔を有するマルチコアファイバの全7コアに効率的かつ同時に結合できるコンactな二極性シリコンオンインシュレーター（SOI）コアプラを提案する。最適化された2次元グレーティングと超コンactなターミナルを用いることで、−4.3 dBの結合効率、48 nmの3 dB帯域幅、および−42.7 dB未満のクロストークを達成し、標準的なSOIプラットフォーム上で、密なマルチコアファイバの全コアへの二極性結合を実験的に初めて実現した。

ABSTRACT

Compact fiber-to-chip couplers play an important role in optical interconnections, especially in data centers. However, the development of couplers has been mostly limited to standard single-mode fibers, with few devices compatible with multicore and multimode fibers. Through the use of state-of-the-art optimization algorithms, we designed a compact dual-polarization coupler to interface chips and dense multicore fibers, demonstrating, for the first time, coupling to both polarizations of all the cores, with measured coupling efficiency of -4.3 dB and with a 3 dB bandwidth of 48 nm. The dual-polarization coupler has a footprint of 200 mu m(2) per core, which makes it the smallest fiber-to-chip coupler experimentally demonstrated on a standard silicon-on-insulator platform. (C) 2021 Optical Society of America

研究の動機と目的

• 集積フォトニクス分野における、密なマルチコアファイバ向けのコンactで二極性のコアプラの不足を解消すること。
• 全コアに同時に両極性状態をサポートすることで、高容量光インターフェースを実現すること。
• 空間多重分割多重通信システムの容量制限要因となる、従来の単極性または非一様なコアプラの限界を克服すること。
• 高密度統合に適したフットプリントで、高結合効率と低クロストークを達成すること。

提案手法

• 各コアごとに2つの重ね合わせた単極性2次元グレーティングを用いた二極性コアプラを設計し、3次元有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションにより最適化した。
• 挿入損失を最小限に抑えるために、各グレーティングから450 nm幅のシリコン波ガイドに接続する超コンactなターミナル（10 µm × 5 µm）を採用した。
• 結合効率と帯域幅を最大化するために、シミュレーションを用いてグレーティングのピッチ（623 nm）とフィルファクター（0.7）を最適化した。
• 250 nmのSOIウェーハ（3 µmの埋め込み酸化シリコンを有する）を用い、電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングによりデバイスをフォトプロセスした後、PECVD法によるSiO₂クラッド被膜を形成した。
• 特性評価のためにファンアウト構成を採用し、チップの反対側に通常の焦点合わせグレーティングコアプラを介して単モードファイバを結合した。
• 可変波長レーザー、統合球を備えたパワー計、ピエゾ駆動によるアライメント制御を備えた光スペクトルアナライザを用いて、結合効率とクロストークを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 32 µmのコア間隔を有する密なマルチコアファイバの全コアを、標準的なSOIプラットフォーム上でコンactで二極性のコアプラで接続することは可能か？
• RQ2 全コアに両極性状態をサポートした場合、達成可能な結合効率と3 dB帯域幅はどの程度か？
• RQ3 プロセスに起因する非一様性が、このコンactなデバイスにおける結合効率および偏光依存損失に与える影響は何か？
• RQ4 隣接コア間のクロストークを−42 dB未満に抑えることは可能か、同時に高効率と広帯域を維持できるか？
• RQ5 1コアあたり200 µm²のフットプリントは、マルチコアファイバインターフェースにおける高密度統合を可能にするか？

主な発見

• 二極性コアプラは、コア2で最大−4.3 dBの結合効率を達成し、コア1で最小−5.4 dBを記録し、コア間で1.1 dBの変動を示した。
• 実験的に測定したデバイスの3 dB帯域幅は48 nm（1505 nm〜1553 nm）であり、シミュレーションと比較してわずかに青シフトを示した。
• 最悪ケースのコア間クロストークは1508 nmで−42.7 dBであったが、その波長における結合効率から34.7 dB低い値であった。
• 偏光依存損失は最大0.54 dBで測定され、デバイスの非対称性や波ガイドの曲げに対する感度が非常に低いことが示された。
• 1コアあたり200 µm²のフットプリントは、標準的なSOIプラットフォーム上でのファイバ-チップコアプラにおいて、実験的に報告された最小のものである。
• 本デバイスは、7コアのマルチコアファイバの全コアに完全な二極性結合を実現し、このような密なコア配置において、その種の実験的デモンストレーションを初めて達成した。