[論文レビュー] Polymer-based Hybrid Integrated Photonic Devices for Silicon On-chip Modulation and Board-level Optical Interconnects

Xingyu Zhang, Amir Hosseini+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、低コストで高帯域幅なオンチップ変調およびボードレベルの光インターフェースを実現するポリマー基盤のハイブリッド統合光デバイスを提案する。ロールツーロール対応のプロセスを活用し、電気光学的ポリマーとシリコンプラットフォームを統合することで、コンactで低消費電力の変調器および高線形性・広帯域動作を実現した効率的な光インターフェースを実証した。

ABSTRACT

The accelerating increase in information traffic demands the expansion of optical access network systems that require cost reduction of optical and photonic components. Low cost, ease of fabrication, and integration capabilities of low optical-loss polymers make them attractive for photonic applications. In addition to passive wave-guiding components, electro-optic (EO) polymers consisting of a polymeric matrix doped with organic nonlinear chromophores have enabled wide-RF-bandwidth and low-power optical modulators. Beside board level passive and active optical components, compact on-chip modulators (a few 100 micronmeters to a few millimeters) have been made possible by hybrid integration of EO polymers onto the silicon platform. This paper summarizes some of the recent progress in polymer based optical modulators and interconnects. A highly linear, broadband directional coupler modulator for use in analog optical links and compact, and low-power silicon/polymer hybrid slot photonic crystal waveguide modulators for on chip applications are presented. Recently, cost-effective roll-to-roll fabrication of electronic and photonic systems on flexible substrates has been gaining interest. A low-cost imprinted/ink-jet-printed Mach-Zehnder modulator and board-to-board optical interconnects using microlens integrated 45-degree mirror couplers compatible with the roll-to-roll fabrication platforms are also presented.

研究の動機と目的

• データ通信システムにおけるコスト効率的で高帯域幅な光コンponentsの需要増加に応える。
• 従来のIII-V族およびシリコン光コンポーネントの限界を克服し、低損失・低コストなポリマーを活用する。
• 電気光学的ポリマーとシリコンウェーブガイドをハイブリッド統合することで、コンactで低消費電力のオンチップ変調器を実現する。
• ロールツーロールプロセスのようなスケーラブルで低コストな製造プラットフォームに適合するボードレベルの光インターフェースを開発する。
• ポリマー基盤のディレクショナルカプラおよびフォトニッククリスタルウェーブガイドを用いてアナログ光リンクおよび光統合を前進させる。

提案手法

• 非線形クロモフォアをドープした電気光学的（EO）ポリマーを用い、変調器における高RF帯域幅および低消費電力動作を実現する。
• EOポリマーをシリコンプラットフォームにハイブリッド統合することで、シリコンの波ガイド効率とポリマーの電気光学的特性を統合する。
• オンチップ用途向けに、コンactで低消費電力のシリコン／ポリマー統合スロットフォトニッククリスタルウェーブガイド変調器を設計・プロトタイピングする。
• インキジェット印刷およびインプリント技術を用いたポリマーによるマハーズェンダ変調器を開発し、低コストでスケーラブルな生産を実現する。
• 効率的なボード間光インターフェースを実現するため、マイクロレンズを補助とする45度ミラー結合器を統合する。
• ロールツーロールプロセスを活用し、フレキシブル基板上での電子・光デバイス統合システムのコスト効率的で大規模な生産を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気光学的ポリマーをシリコンプラットフォームにハイブリッド統合することで、高帯域幅かつ低消費電力のオンチップ光変調器を実現できるか？
• RQ2 ポリマー基盤の光コンポーネントを、高効率かつ低コストなボードレベル光インターフェース向けに最適化できるか？
• RQ3 ロールツーロールプロセス技術が、フレキシブル基板上への機能的光デバイス統合をどの程度支援できるか？
• RQ4 アナログ光リンクにおけるポリマー基盤のディレクショナルカプラ変調器で達成可能な性能向上はどの程度か？
• RQ5 ハイブリッドスロットフォトニッククリスタルウェーブガイド構造が、コンactなオンチップ変調器における電気光学的効率をどのように向上させるか？

主な発見

• 広帯域RF帯域幅を有する高線形性・広帯域のディレクショナルカプラ変調器が実証され、アナログ光リンクに適していることが示された。
• コンactで低消費電力のシリコン／ポリマー統合スロットフォトニッククリスタルウェーブガイド変調器が実現され、1mm未満のフットプリントで効率的なオンチップ変調が可能となった。
• ロールツーロール適合プロセスを用いたインプリント／インキジェット印刷による低コストなマハーズェンダ変調器が成功裏にプロトタイピングされた。
• マイクロレンズを統合した45度ミラー結合器により、低結合損失を実現し、効率的なボード間光インターフェースが実現された。
• EOポリマーとシリコンウェーブガイドのハイブリッド統合により、低駆動電圧および低消費電力で高速変調が可能となった。
• ロールツーロールプロセス技術が、フレキシブル基板上での統合光デバイスおよび電子システムのスケーラブルで低コストな生産を検証した。