[論文レビュー] Silicon photonic MEMS switches based on split waveguide crossings

Yinpeng Hu, Yi Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、波ガイド半分の機械的再構成により、低損失、低クロストーク、超広帯域スイッチングを実現する、分離波ガイドクロスイング（SWX）を用いたシリコンフォトニクスMEMSスイッチを提案する。2×2スイッチおよび64×64ベンス型トポロジー配列は、広帯域にわたり1.5 dB未満の過剰損失および-30 dB未満のクロストークを達成し、フォトリソグラフィックインターコネクト、LiDAR、フォトニクスコンピューティングへの応用を可能にする。

ABSTRACT

The continuous push for high-performance photonic switches is one of the most crucial premises for the sustainable scaling of programmable and reconfigurable photonic circuits for a wide spectrum of applications. Conventional optical switches rely on the perturbative mechanisms of mode coupling or mode interference, resulting in inherent bottlenecks in their switching performance concerning size, power consumption and bandwidth. Here we propose and realize a silicon photonic 2x2 elementary switch based on a split waveguide crossing (SWX) consisting of two halves. The propagation direction of the incident light is manipulated to implement the OFF/ON states by splitting/combining the two halves of the SWX, showing excellent performance with low excess loss and low crosstalk over an ultrawide bandwidth. Both elementary switch and a 64x64 switch array based on Benes topology are fabricated and characterized, demonstrating great potential for practical scenarios such as photonic interconnect/routing, Lidar and spectroscopy, photonic computing, as well as microwave photonics.

研究の動機と目的

• モード結合または干渉に基づく従来の光学スイッチの性能制限を克服すること。
• 既存のフォトニクススイッチのサイズ、消費電力、帯域幅のボトルネックを解消すること。
• 分離波ガイドクロスイングを用いた機械的再構成可能なスイッチを開発し、高性能でスケーラブルなフォトニクス回路を実現すること。
• 2×2スイッチおよび64×64スイッチ配列のプロトタイピングと特性評価を通じて、実用的実現可能性を実証すること。

提案手法

• スイッチは、互いに物理的に移動可能な2つの独立した波ガイド半分からなる分離波ガイドクロスイング（SWX）構造に基づく。
• 機械的駆動により2つの波ガイド半分を分離または再結合させ、入力ポートと出力ポート間の光ルーティングを実現し、ONおよびOFF状態を切り替える。
• MEMS駆動を活用して波ガイドセグメントの相対的位置を制御することで、光学モードの摂動を最小限に抑える。
• SWX構造により、スイッチング中にモードの重ね合わせと対称性を維持することで、低過剰損失および低クロストークを実現する。
• 2×2スイッチを64×64再構成可能スイッチ配列にスケーリングするために、ベンスネットワークトポロジーを採用する。
• 標準的なシリコンフォトニクスプロセスを用いてプロセスを実施し、MEMS駆動統合のための後工程処理を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的再構成可能な波ガイドクロスイングは、広帯域にわたり低過剰損失および低クロストークを達成できるか？
• RQ2 分離波ガイドクロスイング設計は、従来のモード結合型スイッチと比較して、エネルギー効率および帯域幅の面で優れているか？
• RQ3 SWXベースのスイッチは、大規模なベンスネットワークに統合された場合に、性能スケーラビリティを示せるか？
• RQ4 64×64スイッチ配列構成において、SWXベースのスイッチは低クロストークおよび高消光比を維持できるか？
• RQ5 このMEMS駆動式シリコンフォトニクススイッチにおける機械的安定性およびスイッチング速度の実用的限界は何か？

主な発見

• プロトタイプ化された2×2 SWXベースMEMSスイッチは、広帯域にわたり1.5 dB未満の過剰損失を達成した。
• クロストークは全帯域にわたり-30 dB未満に抑制され、高い信号分離性能を示した。
• ベンストポロジーに基づく64×64スイッチ配列は、低クロストークおよび低損失を維持しながら再構成可能なルーティングを成功裏に実証した。
• スイッチは超広帯域で動作可能であり、多波長動作を要する応用に適している。
• 機械的設計により、正確な波ガイドアライメント制御により、光学モードの歪みを最小限に抑え、安定したスイッチングが可能となった。
• MEMS駆動のシリコンフォトニクスへの統合により、スケーラブルで低消費電力かつ高性能なフォトニクススイッチングが実現した。