[論文レビュー] New-generation silicon photonics beyond the singlemode regime

Long Zhang, Shihan Hong+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、広がったシリコンコア（2–3 μm）を有するマルチモードウェーブガイドにおいて、特別なプロセスを要せず低損失・低クロストークの光伝送を実現することで、シリコンフォトニクスにおける新しいパラダイムを提示する。これにより、~0.1 dB/cmという超低損失を達成した。この手法は、標準の220-nm SOI MPWプロセスを活用し、マイクロレーサートラック共振器で記録的な内在Qファクター1.02×10⁷を実証するとともに、~0.14 dB/cmの損失を示す100-cmオンチップ遅延ラインを実現し、マイクロ波フォトニックフィルターや単一モード領域を超えた大規模フォトニック統合を可能にする。

ABSTRACT

The singlemode condition is one of the most important design rules for optical waveguides in guided-wave optics. The reason following the singlemode condition is that higher-order modes might be excited and thus introduce some undesired mode-mismatching loss as well as inter-mode crosstalk when light propagates along an optical waveguide beyond the singlemode regime. As a result, multimode photonic waveguides are usually not allowed. In this paper, we propose the concept of silicon photonics beyond the singlemode regime, developed with low-loss and low-crosstalk light propagation in multimode photonic waveguides with broadened silicon cores. In particular, silicon photonic waveguides with a broadened core region have shown an ultra-low-loss of ~0.1 dB/cm for the fundamental mode even without any special fabrication process. A micro-racetrack resonator fabricated with standard 220-nm-SOI MPW-foundry processes shows a record intrinsic Q-factor as high as 1.02*107 for the first time, corresponding to ultra-low waveguide propagation loss of only 0.065 dB/cm. A high-performance microwave photonic filter on silicon is then realized with an ultra-narrow 3-dB bandwidth of 20.6 MHz as well as a tuning range of ~20 GHz for the first time. An on-chip 100-cm-long delayline is also demonstrated by using the present broadened SOI photonic waveguides with compact Euler-curve bends, the measured propagation loss is ~0.14 dB/cm. The proposed concept of silicon photonics beyond the singlemode regime helps solve the issue of high propagation loss and also significantly reduces the random phase errors of light due to the random variations of waveguide dimensions. In particularity it enables silicon photonic devices with enhanced performances, which paves the way for new-generation silicon photonics realizing the large-scale photonic integration.

研究の動機と目的

• 従来の単一モードシリコンフォトニクスウェーブガイドが直面する高損失と大規模統合への不適合という制限を克服すること。
• 標準の450-nm幅SOIウェーブガイドにおける高損失（~1–2 dB/cm）が、長路径および高Qデバイスの性能を制限するという課題に対処すること。
• 非標準的または特殊なプロセスを要せず、超高Qファクター共振器と低損失長遅延ラインを実現すること。
• 単一モード領域を超えてシリコンコアを広げることで、伝搬損失の低減とプロセスばらつきに起因するランダム位相エラーの最小化を同時に達成できることを示すこと。
• 標準ファブリケーションプロセスを用いて次世代の大規模フォトニック集積回路（PIC）向けスケーラブルかつCMOS準拠のプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 単一モード領域を超えて動作するように、コア幅2–3 μmのシリコンフォトニクスウェーブガイドを設計し、基本モードの伝搬損失を低減すること。
• 特別な後工程処理を回避するため、デープラグメントUVリソグラフィーと誘導結合プラズマドライエッチングを用いた標準の220-nm SOI MPWファブリケーションプロセスを採用すること。
• 放射損失および曲げ損失を最小限に抑えるために、コンactな90°ユーラー曲げ（MWB）を実装し、長遅延ラインのコンactで低損失なルーティングを実現すること。
• 標準プロセスを用いて220-nm SOIプラットフォーム上にマイクロレーサートラック共振器をフォトニック集積回路として実装し、内在Qファクター1.02×10⁷を達成した（これに対応するウェーブガイド損失は0.065 dB/cm）。
• 超高Q共振器をマイクロ波フォトニックフィルタに統合し、20.6 MHzの超狭帯域3-dB帯域幅と約20 GHzのチューニング範囲を達成した。
• ASE光源と光スペクトルアナライザ（OSA）を用いて、100-cm長および10-cm長の遅延ラインを比較する形で伝搬損失を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特別なプロセスを要せず、単一モード領域を超えたシリコンフォトニクスウェーブガイドで超低損失伝搬が達成可能かどうか。
• RQ2 シリコンコアを広げることで、基本モード損失がどの程度低減され、マイクロ共振器のQファクターが向上するか。
• RQ3 標準プロセスを用いて、長さ100 cmに達する低損失かつコンactなフォトニックチップ上遅延ラインを実現可能かどうか。
• RQ4 超高Q共振器を用いたマイクロ波フォトニックフィルタの性能が、既存の最先端デバイスと比較して帯域幅およびチューナビリティの面でどの程度優れているか。
• RQ5 単一モード領域を超えて動作させることで、ウェーブガイド寸法のプロセスばらつきに起因するランダム位相エラーがどの程度低減されるか。

主な発見

• 3-μm幅のシリコンフォトニクスウェーブガイドは、特別なプロセスを要せず、~0.1 dB/cmという超低損失を達成した。これは、標準の450-nm幅ウェーブガイド（通常1–2 dB/cm）と比較して顕著に低い。
• 標準の220-nm SOI MPWプロセスを用いて作製されたマイクロレーサートラック共振器は、記録的な内在Qファクター1.02×10⁷を達成し、これに対応するウェーブガイド伝搬損失はわずか0.065 dB/cmであった。
• 3-μm幅のウェーブガイドと90°ユーラー曲げを用いたオンチップ100-cm遅延ラインは、測定された伝搬損失が~0.14 dB/cmであった。これは、均一なストリップSOIウェーブガイドにおける最長かつ最低損失の遅延ラインを実現したことを示している。
• 超高Q共振器を基盤とするマイクロ波フォトニックフィルタは、20.6 MHzの超狭帯域3-dB帯域幅と約20 GHzのチューニング範囲を達成し、チップ上での報告済み最高性能を記録した。
• 100-cm遅延ラインの伝搬損失は、共振器から推定された値（0.14 dB/cm 対 0.065 dB/cm）よりも高かったが、これは蓄積された欠陥およびウェーハスケールのプロセスばらつきに起因すると考えられる。
• 10枚以上のチップを対象とした平均伝搬損失は0.14 ± 0.025 dB/cmであった。これは、高いプロセス均一性と再現性を確認した。