[論文レビュー] Resonance-Free Light Recycling

You-Chia Chang, Samantha P. Roberts+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、空間モード多重を用いた共振構造を回避する光再利用技術を提示し、スケーラブルで低消費電力な光位相シフターの実現を可能にする。共振構造を避けることで、100 nmを超える光帯域幅とπ位相シフトあたり1.7 mWの低消費電力が達成され、従来の共振型アプローチと比較して消費電力が8倍以上削減され、製造公差も著しく向上（±15 nm）した。

ABSTRACT

The inability to efficiently tune the optical properties of waveguiding structures has been one of the major hurdles for the future scalability of integrated photonic systems. In silicon photonics, although dynamic tuning has been achieved with various mechanisms, even the most effective thermo-optic effect offers a refractive index change of only $1.86 imes 10^{-4} K^{-1}$. To enhance this small change, light recycling based on resonators has been employed in order to realize efficient modulators, phase shifters, and optical switches. However, the resonant enhancement comes at a great cost of optical bandwidth, fabrication tolerance and system scalability. Here we demonstrate a scalable light recycling approach based on spatial-mode multiplexing. Our approach offers a fabrication tolerance of ${\pm}$ 15 nm, in stark contrast to the non-scalable subnanometer tolerance in typical silicon resonators. We experimentally demonstrate light recycling up to 7 passes with an optical bandwidth greater than 100 nm. We realize power-efficient thermo-optic phase shifters that require only 1.7 mW per $π$, representing more than an 8-fold reduction in the power consumption.

研究の動機と目的

• 共振型光再利用の限界を克服する。これは、狭帯域と厳しい製造公差に起因する。
• シリコン波ガイドにおける熱光効果の屈折率変調効率が低いことによる問題を解決する。これは、消費電力効率とスケーラビリティを制限する。
• 光学的共振に依存しない、スケーラブルな共振型モジュレータおよび位相シフターの代替手段を提供する。
• 高い製造公差を維持しつつ、効率的な光再利用のための高い光学パス長を実現する。
• 統合フォトニクスシステムにおいて実用的で、低消費電力なソリューションを提供し、システムレベルのスケーラビリティを向上させる。

提案手法

• 共振増幅に依存しない複数の波ガイドモードを介した光のルーティングと再利用を空間モード多重を用いて実現する。
• 効率的な光再利用を実現するため、制御された結合と位相整合を有する複数の空間モードをサポートする波ガイド構造を設計する。
• 局所加熱による熱光効果を用いて位相シフトを誘導し、再利用された光パスが単位電力あたりの有効位相シフトを増幅する。
• 最大7回のパスを位相シフト領域を通過する多パス構成を実装し、有効相互作用長を増加させる。
• クロストークを最小限に抑え、変調効率を最大化するため、波ガイドの幾何形状と熱的分離を最適化する。
• 非共振型で広帯域設計を採用することで、100 nmを超える光帯域幅を達成し、広範な波長範囲での動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共振に依存しない光再利用が、帯域幅と製造公差の制限を克服するために可能かどうか。
• RQ2 空間モード多重が、共振フィルタリングを導入せずにシリコン波ガイドにおける有効相互作用長をどの程度向上できるか。
• RQ3 非共振型光再利用に基づく位相シフターの消費電力効率は、従来の共振型設計と比べてどの程度優れているか。
• RQ4 実用的なシリコンフォトニクス統合を実現するにあたり、非共振型光再利用アーキテクチャで達成可能な最大の製造公差はどの程度か。
• RQ5 本アプローチを用いて、実世界の統合フォトニクスプラットフォームでスケーラブルで広帯域かつ低消費電力な位相シフターを実現できるか。

主な発見

• 提案手法は7パスの光再利用を実現し、100 nmを超える帯域幅を達成し、広帯域動作を実証した。
• システムは±15 nmの製造公差を示し、通常の共振構造が要求する数ナノメートル未満の公差と比べて著しく緩やかである。
• 熱光効果位相シフターの消費電力はπ位相シフトあたりわずか1.7 mWであり、従来の共振型設計と比較して8倍以上の消費電力削減が達成された。
• 非共振設計により、共振系に内在する狭帯域と製造ばらつきへの感受性が回避され、システムのスケーラビリティが向上した。
• 空間モード多重アプローチにより、高Q共振器を必要とせず、広い波長範囲にわたり高い性能を維持できる光再利用が実現された。
• 実験的検証により、実際のシリコンフォトニクスプラットフォームにおける手法の実現可能性と性能が確認され、消費電力効率と耐障害性の両面で顕著な改善が得られた。