[論文レビュー] High Performance Optical Filters Using Three Waveguide Coupled Sagnac Loop Reflectors

Hamed Arianfard, Jiayang Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 168被引用数 135

ひとこと要約

本稿では、コherentモード干渉を活用して超高消光比、急峻な傾斜率、多様なフィルタ応答を実現する、統合フォトニクス・フィルタのための極めて多機能なプラットフォームとして、3波ガイド結合Sagnacループリフレクタ（3WC-SLR）を提案する。この設計により、高精度な光学Fano共鳴、低自由スペクトル範囲のモード分裂、および古典的フィルタ（バターワース、チェビシェフ、ベッセル、楕円形）を実現可能であり、実用的導入のための詳細なパラメータおよび許容誤差解析によって検証されている。

ABSTRACT

We theoretically investigate advanced multi-functional integrated photonic filters formed by three waveguide coupled Sagnac loop reflectors (3WC-SLRs). By tailoring the coherent mode interference, the spectral response of the 3WC-SLR resonators is engineered to achieve diverse filtering functions with high performance. These include optical analogues of Fano resonances that yield ultrahigh spectral extinction ratios (ERs) and slope rates, resonance mode splitting with high ERs and low free spectral ranges, and classical Butterworth, Bessel, Chebyshev, and elliptic filters. A detailed analysis of the impact of the structural parameters and fabrication tolerances is provided to facilitate device design and optimization. The requirements for practical applications are also considered. These results theoretically verify the effectiveness of using 3WC-SLR resonators as multi-functional integrated photonic filters for flexible spectral engineering in diverse applications.

研究の動機と目的

• 多様なスペクトル応答を高性能で実現可能な、多機能な統合フォトニクス・フィルタ・プラットフォームの開発を目的とする。
• 既存の共振器ベースのフィルタの限界を克服するため、スペクトル工学的柔軟性を向上させる3波ガイド結合Sagnacループ構造を導入することを目的とする。
• 構造的パラメータの感度およびプロセス許容誤差の分析を通じて、実用的導入を可能にする。
• 単一の統合プラットフォーム内で、古典的光フィルタ（バターワース、チェビシェフ、ベッセル、楕円形）および特異な応答（Fano共鳴、モード分裂）の実現を示すこと。
• 理論的モデリングを用いて、CMOS準拠SOIプラットフォーム上で散乱行列法を用いた理論的検証を実施すること。

提案手法

• 3WC-SLR共振器構造は、3つのSagnacループリフレクタ（SLR）がバス波ガイドを介して結合されており、複雑なコherentモード干渉を実現するため、ジグザグまたは並列構成をとる。
• SLRの反射率（ts）および波ガイド結合器の結合強度（tb）を独立して制御することで、コherentモード干渉を最適化する。
• スペクトル応答のモデリングには散乱行列法を用い、すべての構成における干渉効果を正確にシミュレート可能である。
• グループ速度が4.3350（TEモード）で、伝搬損失が2.4 dB/cmであるCMOS準拠シリコンオンインサレータ（SOI）波ガイドを活用する。
• 波ガイド長（LSLR、Li）および結合パラメータを調整することで、目的のスペクトル関数を実現するフィルタ応答を設計する。
• 理論的分析では、Fano共鳴、モード分裂、および古典的フィルタ応答の性能評価を、標準的なフィルタ設計原理に従って実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3波ガイド結合Sagnacループリフレクタ（3WC-SLR）は、2WC-SLRと比較して、より高い性能と柔軟性を有する光フィルタリングを達成できるか？
• RQ2 3WC-SLRにおけるコherentモード干渉は、Fano共鳴や古典的フィルタ形状を含む多様なスペクトル応答を実現するために、どの程度調整可能か？
• RQ3 構造的パラメータ（例：結合強度、波ガイド長）およびプロセス許容誤差が、フィルタ性能および耐障害性に与える影響は何か？
• RQ4 3WC-SLRは、1つのコンactプラットフォーム内で、Fano共鳴、モード分裂、および古典的バターワース／チェビシェフ／ベッセル／楕円形フィルタなどの複数のフィルタ機能を同時にサポートできるか？
• RQ5 光通信やセンシングなどの実世界応用に向けた3WC-SLRの実用的設計要件は何か？

主な発見

• 3WC-SLRプラットフォームは、超高消光比（ER）と急峻な傾斜率を実現する光学Fano共鳴を達成し、高感度応用に適している。
• 高ERと低自由スペクトル範囲（FSR）を実現するモード分裂共鳴が実現され、高Qのコンパactsなデバイスが、高密度波長多重通信（DWDM）に適している。
• バターワース、チェビシェフ、ベッセル、楕円形フィルタの古典的応答が、3WC-SLR構造を用いて光学領域で成功裏に合成された。
• 理論的分析により、3WC-SLR設計がプロセス許容誤差に対して頑健であることが確認され、現実的なパラメータ変動に対しても性能が維持される。
• 並列およびジグザグ構成にはそれぞれ独自の利点がある：前者はハイブリッドFIR/IIRフィルタリングを可能にし、後者は複雑なスペクトル形状制御を強化する。
• プラットフォームはCMOSプロセスと互換性があり、スケーラビリティ、低損失、大量生産性を備えており、実用的フォトニクス統合回路に適している。