[論文レビュー] Inverse design and demonstration of a compact on-chip narrowband three-channel wavelength demultiplexer

Logan Su, Alexander Y. Piggott+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、40 nmチャネル間隔（1500 nm、1540 nm、1580 nm）と24.75 µm²のフォトニクス・フォルムを備えた、シリコンオンインソレーター（SOI）プラットフォーム上での逆設計、コンactな3チャネル波長多重解除器を提示する。バイアスを用いた2段階最適化により、グレイスケール構造を回避し、シミュレートされたピーク挿入損失が-1.55 dB、測定されたピーク損失が-2.29 dBに達し、クロストークは-10.7 dB未満を維持し、4つのプロトタイプで安定した性能を示した。

ABSTRACT

In wavelength division multiplexing (WDM) schemes, splitters must be used to combine and separate different wavelengths. Conventional splitters are fairly large with footprints in hundreds to thousands of square microns, and experimentally-demonstrated MMI-based and inverse-designed ultra-compact splitters operate with only two channels and large channel spacing ($>$100 nm). Here we inverse design and experimentally demonstrate a three-channel wavelength demultiplexer with 40 nm spacing (1500 nm, 1540 nm, and 1580 nm) with a footprint of 24.75 $μ\mathrm{m}^2$. The splitter has a simulated peak insertion loss of -1.55 dB with under -15 dB crosstalk and a measured peak insertion loss of -2.29 dB with under -10.7 dB crosstalk.

研究の動機と目的

• 100 nm未満のチャネル間隔を有する、シリコンフォトニクス集積回路向けにコンパクトで狭帯域の3チャネル波長多重解除器を開発すること。
• 従来のWDMコンponentが大型で、通常は2チャネルのみをサポートし、広帯域であるという制限を克服すること。
• 逆設計を用いたマルチチャネル・狭帯域の多重解除器の設計課題に取り組み、これまで2チャネルで広帯域動作にとどまっていた。
• 複数のプロトタイプで得られる性能の一貫性と出荷率を最適化することで、プロセス変動に対する耐性を確保すること。
• 将来の高容量オンチップ光インターコネクトのための、逆設計による超コンパクトでマルチウェーブ長スプリッタの実験的妥当性を示すこと。

提案手法

• 連続最適化（誘電率が連続的に変化可能）と製造制約付き離散最適化（材料境界をレベルセット関数で表現）の2段階逆設計フレームワークを採用する。
• 連続最適化段階でバイアス技術を適用し、シリコンまたは酸化物に近いバイナリ構造の形成を促進し、製造不能な中間の誘電率値を回避する。
• 勾配計算を効率的に行うためにアドジョイント法を用い、単一の逆時間シミュレーションで計算コストを削減する。
• 離散最適化段階で最小特徴サイズや設計ルール準拠などの製造制約を実装する。
• 連続段階では2次元の誘電率分布画像、離散段階ではレベルセット関数を用いて境界を正確に表現するパラメータ化を行う。
• 目的波長での透過を最大化し、他の出力ポートへのクロストークを最小化する多目的関数を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆設計を用いて、100 nm未満のチャネル間隔を有するコンパクトで狭帯域の3チャネル波長多重解除器を実現できるか？
• RQ2 連続最適化段階で非製造可能な「グレイスケール」構造を回避するには、どのように逆設計プロセスを安定化できるか？
• RQ3 プロセス変動に起因する性能変動に対し、逆設計フォトニクス素子の性能が、複数のプロトタイプでどの程度維持されるか？
• RQ4 従来設計と比較して、逆設計によるマルチチャネル多重解除器では、フォルムサイズ、挿入損失、クロストークのトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 本手法を3チャネルを超えるチャネル数や、さらに狭いチャネル間隔の多重解除器設計に一般化できるか？

主な発見

• プロトタイプ化された3チャネル多重解除器のフォルムは5.5 µm × 4.5 µm（24.75 µm²）であり、従来のWDMコンponentと比べて顕著に小型化されている。
• シミュレーションによるピーク挿入損失は、1500 nmで-1.55 dB、1540 nmで-1.68 dB、1580 nmで-1.35 dBであり、すべてのチャネルでクロストークが-15 dB未満である。
• 測定されたピーク挿入損失は1551 nm（1540 nmに近接）で-2.29 dBであり、プロセス不具合にもかかわらず高い性能を示している。
• 同一にプロトタイピングされた4つのデバイスは一貫した透過スペクトルを示し、平均透過損失がシミュレーション結果と±1.5 dB以内に収束しており、プロセス変動に対する耐性が裏付けられた。
• 最適化プロセスにおけるバイアス技術が、グレイスケール構造の回避に成功し、連続設計から離散設計への信頼性ある移行を可能にした。
• 本デバイスは40 nmのチャネル間隔を達成しており、従来の逆設計2チャネルデバイス（>100 nm間隔）と比較して顕著に狭い。これは、高容量WDMシステムへの実現可能性を示している。