[論文レビュー] Design of slow-light-enhanced bimodal interferometers using dimensionality reduction techniques

Luis Torrijos‐Morán, Jaime García‐Rupérez|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 55被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、1次元光ナノ結晶におけるスローライト強化バイモード干渉計の最適化に、主成分分析（PCA）を用いた次元削減手法を提案する。設計の複雑さを顕著に低減し、最適設計の低次元ハイパーフラットを特定することで、33 µm²の小型化と19.2×10³ 2πrad/RIU·cmの高感度を実現した。従来の手法や既存のスローライト構造を上回る性能を達成した。

ABSTRACT

Interferometers usually require long paths for the ever-increasing requirements of high-performance operation, which hinders the miniaturization and integration of photonic circuits into very compact devices. Slow-light based interferometers provide interesting advantages in terms of both compactness and sensitivity, although their optimization is computationally costly and inefficient, due to the large number of parameters to be simultaneously designed. Here we propose the design of slowlight-enhanced bimodal interferometers by using principal component analysis to reduce the high-dimensional design space. A low-dimensional hyperplane containing all optimized designs is provided and investigated for changes in the silicon core and cladding refractive index. As a result, all-dielectric single-channel interferometers as modulators of only 33 m2 footprint and sensors with 19,200 2pirad/RIUcm sensitivity values are reported and validated by two different simulation methods. This work allows the design and optimization of slow light interferometers for different applications by considering several performance criteria, which can be extended to other photonic structures.

研究の動機と目的

• 複数の設計パラメータを有する高次元のスローライト・バイモード干渉計の最適化における計算非効率性を克服すること。
• 次元削減技術を用いて設計空間を縮小することで、コンactで高性能なフォトニクス素子の実現を可能にすること。
• 単一チャネル干渉計において感度、コンパクトネス、プロセスばらつきへのロバストネスを同時に最適化すること。
• モジュレーターやセンサーに応用可能な、スローライト強化干渉計の設計に一般化可能なフレームワークを提供すること。
• 異なる屈折率の摂動に対して、多様なシミュレーション手法（MPBとFDTD）を用いて手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 1次元光ナノ結晶におけるバイモードバンド構造の曲率を特徴付ける指標（FoM）に対して、主成分分析（PCA）を適用する。
• FoMは、反クロスポイント周辺の群速度差と帯域幅を定量化し、最適なスローライトモードを同定する。
• 高次元設計空間から最適化されたすべての構成を表す低次元2次元ハイパーフラットを抽出する。
• シリコンコアおよびクラッドの屈折率の変化に伴う性能トレードオフの系統的探索が可能になる。
• MPBおよびFDTDを用いたシミュレーションにより、異なる屈折率変動および物理的長さにおける最適化された設計の妥当性を検証する。
• π位相シフトと感度指標に基づき、モジュレータおよびセンサー用途向けに3つの異なる干渉計設計を生成・評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PCAは、複数のパラメータを有するスローライト強化バイモード干渉計の設計空間を効果的に次元削減できるか？
• RQ2 低次元ハイパーフラットは、感度、コンパクトネス、屈折率変動への耐性の最適化をどのように可能にするか？
• RQ3 本手法を用いた最適化された単一チャネル干渉計の実現可能な性能指標（例：フォートプリント、感度）は何か？
• RQ4 最適化された設計は、既存のMZIおよびスローライト干渉計と比較して、フォートプリントと感度の点で優れているか？
• RQ5 FoMに基づくPCAフレームワークは、他のフォトニクス結晶構造へ一般化可能か？

主な発見

• PCAに基づく手法により、高次元設計空間が2次元ハイパーフラットに効果的に削減され、スローライト・バイモード干渉計の最適化が効率的に行えるようになった。
• フォートプリントがわずか33 µm²の単一チャネル干渉計モジュレータが達成され、シリコンの屈折率変動と比較して物理的長さが22%短縮された。
• 感度が19.2×10³ 2πrad/RIU·cmに達したセンサーが実証された。これは、既存のスローライト・バイモード干渉計のほぼ2倍であり、標準のMZIセンサーと比較して1桁以上高い感度を示した。
• FDTDシミュレーションにより、設計1、2、3のπ位相シフト長Lπがそれぞれ27.5 µm、25.6 µm、36.6 µmで確認され、MPBの結果と一致した。
• 設計3はクラッドの屈折率変化に対して最も高い感度を示した一方、設計2はシリコンの屈折率変動に対して最も短いπ長を示し、本手法の予測力の高さが裏付けられた。
• 本手法により、複数の設計構成において感度、コンパクトネス、プロセス耐性の間の系統的トレードオフ分析が可能になった。