[論文レビュー] Free-form micro-optics enabling ultra-broadband low-loss fiber-to-chip coupling

Shaoliang Yu, Luigi Ranno+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超広帯域で低損失なファイバー・チップ結合を実現する自由形状の反射型マイクロオプティクス手法を提案する。1550 nmで0.5 dBの損失を達成し、O帯からU帯をカバーする記録的な300 nmの1-dB帯域幅を実現した。この手法は、高性能な反射型マイクロオプティクスの設計を簡素化した二段階シミュレーション最適化フレームワークを用い、スケーラブルなフォトニクスパッケージングに適した高いアライメント耐性とはんだリフロー処理への耐性を実現した。

ABSTRACT

Efficient fiber-to-chip coupling has been a major hurdle to cost-effective packaging and scalable interconnections of photonic integrated circuits. Conventional photonic packaging methods relying on edge or grating coupling are constrained by high insertion losses, limited bandwidth density, narrow band operation, and sensitivity to misalignment. Here we present a new fiber-to-chip coupling scheme based on free-form reflective micro-optics. A design approach which simplifies the high-dimensional free-form optimization problem to as few as two full-wave simulations is implemented to empower computationally efficient design of high-performance free-form reflectors while capitalizing on the expanded geometric degrees of freedom. We demonstrated fiber array coupling to waveguides taped out through a standard foundry shuttle run and backend integrated with 3-D printed micro-optics. A low coupling loss down to 0.5 dB was experimentally measured at 1550 nm wavelength with a record 1-dB bandwidth of 300 nm spanning O to U bands. The coupling scheme further affords large alignment tolerance, high bandwidth density and solder reflow compatibility, qualifying it as a promising optical packaging solution for applications such as wavelength division multiplexing communications, broadband spectroscopic sensing, and nonlinear optical signal processing.

研究の動機と目的

• フォトニクス統合回路における従来のエッジ結合やグレーティング結合の限界、例えば高い挿入損失や狭帯域といった問題を克服すること。
• 標準ファブリケーションプロセスと大量生産パッケージングに準拠したスケーラブルで低損失なファイバー・チップ結合ソリューションを開発すること。
• O帯からU帯にわたり超広帯域動作を実現しながら、低損失と高いアライメント耐性を維持すること。
• 複雑な自由形状反射型マイクロオプティクスのための計算的に効率的な設計手法を実証すること。

提案手法

• 高次元の自由形状設計問題を簡素化するために、二段階シミュレーション最適化フレームワークが用いられ、計算コストを低減しながらも性能を維持した。
• 自由形状の反射型マイクロオプティクスは、標準ファブリケーションプロセス後のバックエンドプロセスで3Dプリントにより製造され、波ガイドに統合された。
• 拡張された幾何的自由度を活用して波面を整形し、ファイバーとチップ波ガイド間のモードマッチングを最適化した。
• ビーム発散角と位相プロファイルを正確に制御することで、広帯域にわたる結合損失を最小限に抑えた。
• 実装されたシステムは、ファイバー配列を3Dプリントされたマイクロオプティクスを介して波ガイド配列に結合し、実験的検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由形状の反射型マイクロオプティクスは、従来のエッジ結合やグレーティング結合の制限を超えて、超広帯域で低損失なファイバー・チップ結合を実現できるか？
• RQ2 自由形状オプティクスの高次元設計空間を、膨大なフルウェーブシミュレーションを要せず、効率的に最適化できるか？
• RQ3 3Dプリントされた自由形状マイクロオプティクスを用いたファイバー・チップ結合方式の実現可能な帯域幅と損失性能はどの程度か？
• RQ4 提案された結合方式は、アライメント誤差に対してどの程度耐性を示し、はんだリフロー処理にも耐えうるか？

主な発見

• 1550 nmで実験的に0.5 dBの結合損失が測定され、ファイバー・チップ結合における高い効率性が実証された。
• システムは記録的な1-dB帯域幅300 nmを達成し、O帯（1260–1360 nm）からU帯（1570–1625 nm）をカバーした。
• 結合方式は大きなアライメント耐性を示し、大量生産・低コストパッケージングに適していた。
• 設計ははんだリフロー処理と互換性があり、標準的な電子パッケージングプロセスへの統合が可能であった。