[論文レビュー] Electronic-photonic circuit crossings

Babak Vosoughi Lahijani, Marcus Albrechtsen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、トポロジー最適化を用いて20 nmの分離ギャップで99.8%の光学透過率を達成する、モノリシックな1層構造の電子光回路クロスイング（EPCC）を提示する。これにより、電気的・光学的・機械的信号が1層に共存する完全統合型ナノ電気機械的光スイッチの実現が可能となり、複雑な光・電気・機械系システムにおける損失のないルーティングが可能になる。この設計は、従来の多層構造の制限を克服し、損失のないルーティングを実現する。

ABSTRACT

Electrical control of light in integrated photonics is central to a wide range of research and applications. It is conventionally achieved with thermo-optic tuning, but this suffers from high energy consumption and crosstalk. Nanoelectromechanical photonics could resolve these issues, but integrating this technology with conventional multilayer metal architectures is challenging, and conventional approaches do not allow crossings of electrical wires and photonic waveguides. Here, we use topology optimization to devise a single-layer electronic-photonic circuit crossing with up to 99.8 % optical transmission across a 20 nm electrical isolation trench. We focus our experiments on 100 nm trenches and measure an average transmission of 92.9 % over a 100 nm bandwidth, in excellent agreement with theory. We use these concepts to demonstrate a monolithic silicon nanoelectromechanical add-drop switch in which the flow of photons, electrons, and mechanical motions are fully integrated within the same layer. Our work addresses an important challenge in incorporating opto-electro-mechanical topologies into photonic integrated circuits and may lead to new functionalities in nano-opto-electro-mechanical systems, optomechanics, and integrated quantum photonics.

研究の動機と目的

• 統合チップにおける電子回路と光回路のルーティングの根本的不適合性を克服し、電気的ワイヤと光波ガイドの直接クロスイングを1層で実現すること。
• 回路サイズに比例してスケーリングが非線形に増加する多層構造の必要性を排除すること。
• 逆設計とトポロジー最適化を用いて、1デバイス層で高い光学透過率と電気的遮断を同時に達成すること。
• 1回のリソグラフィー工程で電子、光、機械的運動が完全に統合されたモノリシックシリコンナノ電気機械的アドドロップスイッチを実証すること。
• 基本的なレベルでクロスイング問題を解決することで、ナノ光・電気・機械系システム（NOEMS）、量子光工学、光インターポンクトに新たなトポロジーを可能にする。

提案手法

• 240 nmのデバイス層を有するシリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上に、1層構造の電子光回路クロスイング（EPCC）をトポロジー最適化によって設計した。
• 分離溝を越えて電流経路を電気的に接続するためのスパナードシリコンブリッジを設計し、光波ガイドの光学的連続性を維持した。
• 1550 nmにおける最大透過率と最小反射率を達成するため、有限要素法シミュレーションを用いて幾何形状を最適化した。光学損失とクロストークの低減に重点を置いた。
• EPCCを電気的インターポーネントおよび光波ガイドとして機能させ、分離溝が電気的および熱的デカップリングを提供するように設計した。
• 数値シミュレーションと実験的特性評価を通じて、走査型電子顕微鏡およびダークフィールドイメージングを用いて2×2電気機械的アドドロップスイッチネットワークを検証した。
• より大きなネットワーク向けに帯域制約を緩和し、より小さいが実現可能なギャップを許容することで、数百個のEPCCをスケーラブルに統合でき、1回のクロスイングあたりの累積透過率が99.8%を超えるようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1層の統合デバイスが、電子ワイヤと光波ガイドのクロスイングにおいて、高い光学透過率と電気的遮断を同時に達成できるか？
• RQ2 トポロジー最適化は、多層プロセスを必要としない1デバイス層で、電気的および光学的機能を同時に最適化できるか？
• RQ3 電気的遮断と機械的柔軟性を維持した状態で、電子光クロスイングにおける最大の光学透過率はどの程度達成可能か？
• RQ4 このようなクロスイングにより、ナノ電気機械的スイッチのモノリシック統合が、電子、光、機械的運動の経路を完全に制御可能になるか？
• RQ5 ギャップサイズの変化に応じてEPCCの性能はどのように変化するのか？また、複雑な光・電気・機械系回路のスケーリングにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 最適化されたEPCCは、20 nmの分離ギャップで1550 nmにおいてピーク透過率99.8%を達成し、35 nmの帯域幅で99%以上の透過率を示した。
• 100 nmのギャップでは透過率が99.6%、60 nmのギャップでは99.7%に達し、ギャップサイズが小さくなるに従い透過率が向上する傾向が明確に示された。
• 実験による透過スペクトルは数値シミュレーションと高い一致を示し、逆設計アプローチの頑健さと正確性を確認した。
• モノリシックな2×2アドドロップスイッチは、明確な電圧制御スイッチング動作を示し、アクチュエータ電圧に応じてトランスミッションが予測可能に変化した。
• N個のEPCCの累積透過率はT^Nに比例するため、数百個のクロスイングでもインサーション損失が3 dB未満に抑えられ、複雑で低損失の回路が実現可能である。
• EPCC設計は、ガリウムヒ素（GaAs）やインジウムヒッペルライト（InP）などの他の半導体プラットフォームへもスケーラブルに拡張可能であり、統合光回路内での量子発光体の独立した電気的制御が可能になる。