[論文レビュー] Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics

Yan Zhang, Qingyang Du+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2019

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 30被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、波導側面に堆積された高品質な磁気光学ガーネット薄膜を用いて、シリコンおよびシリコンナ nitride プラットフォーム上に広帯域で偏光多重の光学イソレータをモノリシックに統合する手法を提示する。このアプローチにより、完全広帯域のTEモード隔離を達成し、偏光多重シリコンフォトニクス回路における非再帰的機能を実現する、記録的な高性能を実現した。

ABSTRACT

Integrated optical isolators have been a longstanding challenge for photonic integrated circuits (PIC). An ideal integrated optical isolator for PIC should be made by a monolithic process, have a small footprint, exhibit broadband and polarization-diverse operation, and be compatible with multiple materials platforms. Despite significant progress, the optical isolators reported so far do not meet all these requirements. In this article we present monolithically integrated broadband magneto-optical isolators on silicon and silicon nitride (SiN) platforms operating for both TE and TM modes with record high performances, fulfilling all the essential characteristics for PIC applications. In particular, we demonstrate fully-TE broadband isolators by depositing high quality magneto-optical garnet thin films on the sidewalls of Si and SiN waveguides, a critical result for applications in TE-polarized on-chip lasers and amplifiers. This work demonstrates monolithic integration of high performance optical isolators on chip for polarization-diverse silicon photonic systems, enabling new pathways to impart nonreciprocal photonic functionality to a variety of integrated photonic devices.

研究の動機と目的

• フォトニクス統合回路（PIC）に小型で広帯域かつ偏光多重の光学イソレータを統合するという長年の課題を克服すること。
• 多様な材料および波ガイドモードと互換性を持つ、シリコンおよびシリコンナ nitride プラットフォーム上での磁気光学イソレータのモノリシック統合を可能にすること。
• 1つのプロセスで TE および TM 両偏光に対して高精度で広帯域の隔離を達成すること。
• 偏光に依存しない非再帰的光学部品を必要とするオンチップレーザーおよびアンプ応用を支援すること。

提案手法

• パルスレーザー堆積法を用いて、シリコンおよびシリコンナ nitride 波ガイドの側面に高品質な磁気光学ガーネット薄膜を堆積すること。
• ガーネット層とのモード重ね合わせを向上させるために、波ガイドの幾何形状を最適化して磁気光学効果を効率的に発揮させること。
• ハイブリッドアセンブリを一切用いずに、直接シリコンおよびシリコンナ nitride プラットフォーム上にイソレータをモノリシックに統合するプロセスを採用すること。
• ガーネット薄膜のファラデー効果を活用し、外部磁場を印加することで非再帰的光学隔離を実現すること。
• プロパゲーション損失を最小限に抑え、隔離帯域幅を最大化するための膜品質と界面工学の最適化を実施すること。
• オンチップ特性評価を用いて、TE および TM 偏光状態の両方で性能を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンおよびシリコンナ nitride プラットフォーム上に、高精度かつ低損失でモノリシックに統合可能な広帯域で偏光多重の光学イソレータを実現できるか？
• RQ2 磁気光学ガーネット薄膜を効果的に波ガイドに統合することで、TE および TM モード両方の広帯域隔離を達成できるか？
• RQ3 モノリシック統合システムにおいて、TE 偏光光に対して達成可能な最大の隔離帯域幅および消光比は何か？
• RQ4 異なる材料プラットフォーム間でも、オンチップレーザーおよびアンプと互換性を保ちつつ、イソレータの性能を維持できるか？
• RQ5 波ガイド側面に高品質なガーネット薄膜を形成する際の主なプロセス的課題は何か。それらはどのように克服できるか？

主な発見

• モノリシックに統合されたイソレータは、シリコンおよびシリコンナ nitride プラットフォーム上で、TE および TM モード両方の広帯域隔離を達成し、偏光多重動作を実証した。
• 完全広帯域の TE モード隔離が実現され、高い消光比と低挿入損失を達成しており、TE 偏光のオンチップレーザーおよびアンプへの応用が可能になった。
• 波ガイド側面に高品質な磁気光学ガーネット薄膜を効果的に堆積させることに成功し、強力なファラデー回転と効率的な非再帰的隔離を実現した。
• シリコンフォトニクスプラットフォーム上でのモノリシック統合において、隔離帯域幅および消光比の記録的高性能を達成した。
• 標準的なシリコンフォトニクスプロセスと互換性があり、スケーラビリティおよび他のフォトニクス素子との共統合を可能にした。
• このアプローチにより、偏光多重フォトニクス回路における非再帰的機能が実現可能となり、高度なPICの実現に不可欠な要因となった。