[論文レビュー] Controlling evanescent waves on-chip using all-dielectric metamaterials for dense photonic integration

Saman Jahani, Sangsik Kim+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、シリコンフォトニクス回路における効果的波の制御を実現するため、チップ上に全誘電異方性メタマテリアルを用いる手法を提案している。この手法により、設計された全内部反射によって、表面波の減衰長を短縮し、30倍以上のクロストーク低減と3倍の曲げ損失低減を達成している。また、3.67 dB/cmのわずかな伝搬損失で実現されており、CMOSプラットフォームにおける高密度フォトニクス統合を可能としている。

ABSTRACT

Miniaturization of optical components with low power consumption fabricated using a CMOS foundry process can pave the way for dense photonic integrated circuits within nanoelectronic platforms. However, the large spatial extent of evanescent light waves generated during nanoscale light confinement are ubiquitous in silicon photonic devices and are the stumbling roadblock to miniaturization. Here, we demonstrate the control of evanescent waves using all-dielectric metamaterials on a chip. We demonstrate that anisotropic metamaterials open a new degree of freedom in total internal reflection (TIR) to reduce the decay length of evanescent waves. This counterintuitive approach uses optical devices which can have a cladding with a higher average index than the core and marks a departure from interference based confinement as in photonic crystal waveguides or slot waveguides which utilize nanoscale field enhancement. We experimentally show that all-dielectric anisotropic metamaterials can help to reduce the cross-talk more than 30 times and bending loss more than 3 times in ultra-compact photonic circuits, two major attributes that limit the integration density in photonic circuits. We verify our all-dielectric metamaterial platform fabricated on a scalable process with a relatively negligible propagation loss of 3.67 dB/cm paving the way to impact future device designs for dense photonic integration

研究の動機と目的

• シリコンフォトニクス統合回路における長距離表面波が小型化を制限するという課題に取り組む。
• コンパクトフォトニクスデバイスにおける強い光閉じ込めと高いクロストークの根本的トレードオフを克服する。
• 全誘電メタマテリアルを用いたCMOS準拠プラットフォームを構築し、高密度フォトニクス統合を実現する。
• 誘電材料における異方性屈折率設計により、全内部反射における新たな自由度を提供する。
• 実用的なチップ上応用を想定した、低伝搬損失と強化された閉じ込めを実現するスケーラブルなソリューションを実証する。

提案手法

• 従来の波ガイド設計とは対照的に、コアよりも平均屈折率が高いクラッド材料を有する全誘電異方性メタマテリアルの設計とプロセシングを実施する。
• メタマテリアルの有効光学的性質を設計し、全内部反射時の表面波の減衰長を制御する。
• スケーラブルなナノエレクトロニクスプラットフォームへの統合を可能とするCMOS準拠のプロセスを活用する。
• フォトニッククリスタルやスロット波ガイドのような干渉に基づくメカニズムに依存せず、波長未満の光制御を実現するメタマテリアル構造を実装する。
• 伝搬損失を最小限に抑えながら表面波の抑制を最大化するため、異方性誘電構造を最適化する。
• 超小型波ガイド回路におけるクロストークと曲げ損失の実験的特性評価を通じて、設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異方性全誘電メタマテリアルは、従来手法を上回る表面波の減衰長短縮を、シリコンフォトニクス波ガイドで達成できるか？
• RQ2 コアよりも高い平均クラッド屈折率が、全内部反射および表面波の閉じ込めに与える影響は何か？
• RQ3 メタマテリアル設計によって、超小型フォトニクス回路におけるクロストークと曲げ損失はどの程度低減可能か？
• RQ4 CMOS準拠の全誘電プラットフォームは、低伝搬損失を実現しながらも、強い表面波制御を可能にするか？
• RQ5 このアプローチは、高密度フォトニクス統合のための波ガイド設計における新たな自由度を提供するか？

主な発見

• 全誘電異方性メタマテリアルプラットフォームは、従来の波ガイドと比較してクロストークを30倍以上低減した。
• 提案されたメタマテリアル設計を用いることで、超小型フォトニクス回路における曲げ損失が3倍以上低減された。
• プロトタイプは3.67 dB/cmという低伝搬損失を示しており、チップ上統合の実用的スケーラビリティを実現している。
• メタマテリアル手法により、ナノスケールの場所強化や干渉に基づく閉じ込めに依存せず、表面波の効果的制御が可能となった。
• 従来の制約（クラッドの屈折率がコアより低くなければならない）を打ち破り、波ガイド設計における新たな可能性を開いた。
• この手法は標準的なCMOSプロセスと互換性があり、将来のナノエレクトロニクスプラットフォーム上での高密度フォトニクス統合を支援する。