[論文レビュー] Integrated Fabry-Perot cavities as a mechanism for enhancing micro-ring resonator performance

Jiayang Wu, Tania Moein+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 32被引用数 28

ひとこと要約

本論文では、シリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォーム上で実証されたように、キャスケード接続されたサニャックループリフレクタ（SLR）によって形成される統合ファブリ・ペロー（FP）キャビティ内にマイクロリングレゾネータ（MRR）を埋め込むことで、そのフィルタリング特性を向上させる手法を提案する。コherent干渉を活用してMRRの透過スペクトルを再形状することで、Qファクターは最大11倍向上し、消光比は8 dB向上する。

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate the enhancement in the filtering quality (Q) factor of an integrated micro-ring resonator (MRR) by embedding it in an integrated Fabry-Perot (FP) cavity formed by cascaded Sagnac loop reflectors (SLRs). By utilizing coherent interference within the FP cavity to reshape the transmission spectrum of the MRR, both the Q factor and the extinction ratio (ER) can be significantly improved. The device is theoretically analyzed, and practically fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) wafer. Experimental results show that up to 11-times improvement in Q factor, together with an 8-dB increase in ER, can be achieved via our proposed method. The impact of varying structural parameters on the device performance is also investigated and verified by the measured spectra of the fabricated devices with different structural parameters.

研究の動機と目的

• フォトニック統合回路向けに、統合マイクロリングレゾネータ（MRR）のフィルタリング特性を向上させること。
• プロセスの不確実性や伝搬損失のため、MRRが高いQファクターと消光比を達成するのを妨げる固有の制限を克服すること。
• 複雑なプロセスを要しない、コンactでオンチップ実装可能なソリューションを開発すること。
• 新規なFPキャビティ構成を用いて、Qファクターおよび消光比の向上を実験的に検証すること。
• 最適化のため、構造的パラメータがデバイス性能に与える影響を体系的に調査すること。

提案手法

• MRRを、2つのキャスケード接続されたサニャックループリフレクタ（SLR）によって形成される統合ファブリ・ペロー（FP）キャビティ内に埋め込むことで、高ファインネスな光学キャビティを構築する。
• FPキャビティ内でのコherent干渉により、MRRの透過スペクトルが再形状され、サイドローブが抑制され、ピークの鋭さが向上する。
• スペクトル応答およびQファクターの向上を予測するために、カップルドモード理論および伝達行列法を用いた理論的モデリングを実施する。
• 標準的な電子線リソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いて、シリコンオンインサレータ（SOI）ウェーハ上にデバイスをプロセスする。
• SLR長、結合ギャップ、MRR半径といった構造的パラメータを体系的に変化させ、性能への影響を調査する。
• Qファクターおよび消光比の測定のために、可変波長レーザ光源および光スペクトルアナライザを用いて、実験的特性評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MRRにFPキャビティを統合することで、Qファクターおよび消光比を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 FPキャビティ内でのコherent干渉が、どのようにMRRの透過スペクトルを再形状し、フィルタリング特性を向上させるか？
• RQ3 SLR長および結合ギャップを変化させた場合、ハイブリッドキャビティ系のQファクターおよび消光比にどのような影響を与えるか？
• RQ4 デバイスのフォートプリントや複雑さを増さずに、Qファクターをどの程度向上させられるか？
• RQ5 提案された構造は、異なるMRR半径および結合条件においても高い性能を維持できるか？

主な発見

• 実験的に、マイクロリングレゾネータのQファクターがFPキャビティ統合により11倍向上した。
• 消光比は8 dB向上し、信号対雑音比の向上が顕著に示された。
• 理論的および実験的結果が強く一致しており、設計アプローチおよびモデリングフレームワークの妥当性が裏付けられた。
• Qファクターの向上は、サイドローブの抑制およびコherent干渉による有効な往復パス長の増加に起因する。
• 構造的パラメータの体系的変動により、SLR長および結合ギャップがQファクターおよび消光比の最適化において重要な要因であることが確認された。
• 本手法により、フォトニック統合回路に適したコンパクトでオンチップ構成の高機能フィルタリングが実現可能となった。