[論文レビュー] New silicon photonics integration platform enabled by novel micron-scale bends

Matteo Cherchi, Sami Ylinen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2013

Photonic and Optical Devices参考文献 28被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、設計されたユーラー回転湾曲を有するマイクロスケール波ガイドを用いた新しいシリコンフォトニクスプラットフォームを紹介する。これにより、10 µm未満の曲げ半径と、0.02 dB/90°未満の超低損失を実現する。単一モードリブ波ガイドを局所的に高対比マルチモードストリップ波ガイドに変換することで、単一モード動作を維持しながらも、高密度統合を実現し、標準的なプロセスおよびファイバーインターフェースと互換性を持つ。

ABSTRACT

Even though submicron silicon waveguides have been proposed for dense integration of photonic devices, to date the lightwave circuits on the market mainly rely on waveguides with micron-scale core dimensions. These larger waveguides feature easier fabrication, higher reliability and better interfacing to optical fibres. Single-mode operation with large core dimensions is obtained with low lateral refractive index contrast. Hence, the main limitation in increasing the level of integration and in reducing the cost of micron-scale waveguide circuits is their mm- to cm-scale minimum bending radius. Fortunately, single-mode rib waveguides with a micron-scale silicon core can be locally transformed into multi-mode strip waveguides that have very high lateral index contrast. Here we show how Euler spiral bends realized with these waveguides can have bending radii below 10 μm and losses below 0.02 dB/90° for the fundamental mode, paving way for a novel densely integrated platform based on micron-scale waveguides.

研究の動機と目的

• 既存のマイクロスケールシリコン波ガイド回路における大きな曲げ半径（mm～cm）の制限を解決すること。
• 従来のマイクロスケール波ガイドにおけるプロセス適合性、ファイバーインターフェース、統合密度のトレードオフを克服すること。
• 単一モード動作や損失の増加を犠牲にせず、10 µm未満の曲げ半径を達成することで、高密度フォトリック統合を実現すること。
• サブミクロン波ガイドの代替手段とは異なり、標準的なプロセスと光学ファイバー結合に適合する実用的プラットフォームを開発すること。
• マルチモードストリップ波ガイドにおける高い横方向の屈折率対比を活用し、コンactな低損失湾曲を実現するとともに、主回路パスでの単一モード動作を維持すること。

提案手法

• 標準的なプロセスおよびファイバー結合に適合させるために、マイクロスケールシリコンコアを有する単一モードリブ波ガイドを用いる。
• 高横方向屈折率対比を持つマルチモードストリップ波ガイドに局所的にリブ波ガイドを変換することで、急峻な湾曲を可能にする。
• 高対比マルチモード領域でユーラー回転湾曲を実装し、急峻な湾曲時の放射損失を最小限に抑える。
• リブ波ガイドとストリップ波ガイドの幾何形状の遷移部を設計し、主伝搬パスでの単一モード動作を維持する。
• 数値シミュレーションを用いて波ガイド断面および湾曲プロファイルを最適化し、低損失かつ高いモード閉じ込めを達成する。
• 全ベクトルモード解析および湾曲構造全体を通じた基本モードの伝搬損失計算を通じて、設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロスケールシリコン波ガイドは、単一モード動作と低伝搬損失を維持したまま、10 µm未満の曲げ半径を達成できるか？
• RQ2 リブ波ガイドを高対比マルチモードストリップ波ガイドに変換することで、放射損失を低減したより緊急な湾曲がどのように可能になるか？
• RQ3 このような構造におけるユーラー回転湾曲を用いた単一モード基本モードの最小達成可能曲げ半径とその損失はどの程度か？
• RQ4 このアプローチは、プロセス適合性やファイバーインターフェース能力を損なわず、統合密度をどの程度向上できるか？
• RQ5 リブ波ガイドとストリップ波ガイド部の遷移部は、主回路パスでの単一モード動作を保持できるように設計可能か？

主な発見

• 設計された高対比マルチモードストリップ波ガイド領域におけるユーラー回転湾曲により、曲げ半径が10 µm未満に達成された。
• 基本モードの伝搬損失は、90°あたり0.02 dB未満であり、放射損失が顕著に低減された。
• 主リブ波ガイドパスでは単一モード動作が維持されるとともに、遷移領域でコンactな湾曲が可能となった。
• 標準的なマイクロスケール波ガイドを用いた高密度フォトリック統合が可能となり、既存のプロセスと適合した。
• 大きなコア寸法と低いモードフィールド不一致のおかげで、光学ファイバーとの実用的統合が可能となった。
• 従来のマイクロスケール波ガイド回路における主な制限要因であるmm～cmスケールの曲げ半径を克服した。