[論文レビュー] Hybrid 2D/3D Photonic Integration for Non-Planar Circuit Topologies

A. Nešić, Matthias Blaicher+5 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Jan 1, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 31被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、複雑な非平面フォトリック集積回路（PIC）における波ガイドクロスイング（WGX）を解消するため、3Dプリンティングで作製したフリー形状波ガイドオーバーレイ（WOP）を用いたハイブリッド2D/3Dフォトリック統合手法を提案する。シリコン基板上に4×4スイッチアンドセレクト（SAS）回路を適用した結果、WGXフリーの動作が実証され、ポート数nの増加に伴いWOP数はn²に比例するのに対し、WGX数はn⁴に比例することが示された。

ABSTRACT

Complex photonic integrated circuits (PIC) may have strongly non-planar topologies that require waveguide crossings (WGX) when realized in single-layer integration platforms. The number of WGX increases rapidly with the complexity of the circuit, in particular when it comes to highly interconnected optical switch topologies. Here, we present a concept for WGX-free PIC that rely on 3D-printed freeform waveguide overpasses (WOP). We experimentally demonstrate the viability of our approach using the example of a $4 imes 4$ switch-and-select (SAS) circuit realized on the silicon photonic platform. We further present a comprehensive graph-theoretical analysis of different $n imes n$ SAS circuit topologies. We find that for increasing port counts $n$ of the SAS circuit, the number of WGX increases with $n^4$, whereas the number of WOP increases only in proportion to $n^2$.

研究の動機と目的

• 高密度に相互接続された非平面フォトリック集積回路（PIC）における波ガイドクロスイング（WGX）の増加する課題に対処すること。
• 複雑な回路トポロジを必要とする場合に、WGXを必要とする2D統合プラットフォームの限界を克服すること。
• 3Dプリンティングで作製したフリー形状波ガイドオーバーレイ（WOP）を用いて、非平面回路トポロジのスケーラブルな解決策を開発すること。
• シリコンフォトリックプラットフォーム上での4×4スイッチアンドセレクト（SAS）回路において、WGXフリー動作の実現可能性を示すこと。
• n×n SAS回路を対象として、グラフ理論的手法を用いてWOPベースの設計のスケーラビリティを分析すること。

提案手法

• 2Dシリコンフォトリックプラットフォーム上に3Dプリンティングで作製したフリー形状波ガイドオーバーレイ（WOP）を統合し、垂直結合を実現すること。
• アディティブマニュファクチャリング技術を用いて、正確なアライメントと低損失伝送を実現するWOPを製造すること。
• 信号をWOPを介してルーティングすることで波ガイドクロスイングを回避する4×4スイッチアンドセレクト（SAS）回路トポロジを設計すること。
• グラフ理論的手法を用いて、n×n SAS回路のトポロジカルな複雑さを波ガイドクロスイング（WGX）およびWOP要件の観点から分析すること。
• Sパラメータ測定およびインサーションロス解析を用いて、実装済みWOPの光学的性能を評価すること。
• ポート数nの増加に伴うWGX（n⁴に比例）とWOP（n²に比例）のスケーリング特性を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平面フォトリック回路トポロジにおいて、ポート数nの増加に伴い波ガイドクロスイング（WGX）の数はどのように変化するか？
• RQ2 3Dプリンティングで作製した波ガイドオーバーレイ（WOP）は、複雑なフォトリック回路における波ガイドクロスイングを効果的に置き換えられるか？
• RQ3 WOPベースの設計は、従来の2D統合と比較して、部品数および回路複雑さの観点からどのようにスケーラブルか？
• RQ4 3Dプリンティングで作製したWOPは、実際のシリコンフォトリックプラットフォーム上での光学的性能はいかがな状態か？
• RQ5 グラフ理論的モデルは、n×nスイッチアンドセレクト（SAS）回路に必要な最小WOP数をどのように予測できるか？

主な発見

• n×nスイッチアンドセレクト（SAS）回路における波ガイドクロスイング（WGX）の数はn⁴に比例するため、nが大きくなると2D統合では非現実的になる。
• 必要とされる波ガイドオーバーレイ（WOP）の数はn²に比例するのみであり、スケーラビリティにおいて顕著な改善が示された。
• WOPを用いた実験的実装により、4×4 SASフォトリック回路が正常に動作し、WGXフリーの動作が達成された。
• 実装済みのWOPは低損失を示し、非平面トポロジを横断する効率的な信号ルーティングを可能にした。
• グラフ理論的分析により、WOPベースの設計がWGX依存の2D統合に比べ、よりスケーラブルな代替手段であることが確認された。
• 本手法により、従来の2Dレイアウト制約によって制限されていた、複雑で高密度に相互接続されたフォトリック回路の実現が可能になった。