[論文レビュー] Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits

Xia Chen, Milan M. Milošević+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、イオンドーピングされた波guidと局所的レーザーアニーリングを用いて、方向性 coupler を永久にプログラミングする手法を用いて、光学FPGAに似た再構成可能なシリコンフォトニクス回路を構築する新規なアプローチを提示している。この技術により、継続的な電力供給が不要な後工程での再構成が可能となり、非揮発的機能を有する1×4および2×2のプログラマブルスイッチング回路が実証された。

ABSTRACT

A novel technique is presented for realising programmable silicon photonic circuits. Once the proposed photonic circuit is programmed, its routing is retained without the need for additional power consumption. This technology enables a uniform multi-purpose design of photonic chips for a range of different applications and performance requirements, as it can be programmed for each specific application after chip fabrication. Therefore the cost per chip can be dramatically reduced because of the increase in production volume, and rapid prototyping of new photonic circuits is enabled. Essential building blocks for programmable circuits, erasable directional couplers (DCs) were designed and fabricated, utilising ion implanted waveguides. We demonstrate permanent switching between the drop port and through port of the DCs using a localised post-fabrication laser annealing process. Proof-of-principle demonstrators in the form of generic 1X4 and 2X2 programmable switching circuits were then fabricated and subsequently programmed, to define their function.

研究の動機と目的

• 継続的な電力供給が不要な後工程での光路プログラミングを可能にする再構成可能なシリコンフォトニクスプラットフォームの開発。
• 複数の用途に適応可能な1つのチップ設計を可能にすることで、単位チップコストの低減とプロトタイピングの高速化。
• 局所的レーザーアニーリングプロセスを用いて、フォトニクス回路の非揮発的かつ恒久的な再構成を実現。
• 概念実証のための汎用的1×4および2×2スイッチング回路の作製と検証。
• 多様な性能要件や応用ニーズに対応可能なスケーラブルで均一なフォトニクスチップアーキテクチャの確立。

提案手法

• イオンドーピングを用いて波guidの特性を変更することで、消去可能な方向性 coupler (DC) の設計およびプロセス。
• 後工程における局所的レーザーアニーリングを活用し、DCの結合状態を永久に変更することで、ドロップポートとスルーポートの間で切り替えを実現。
• これらのプログラマブルDCを、汎用的な1×4および2×2フォトニックスイッチング回路に統合。
• 制御された屈折率変化をもたらす、チューナブルな波guid領域をイオンドーピングで作成。
• 特定の領域に対して選択的にレーザーアニーリングを適用し、恒久的な構造的および光学的変更を誘発。
• プログラムされた回路の動作を実験的に確認することで、ルーティング機能の検証を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンドーピングされたシリコン波guidは、非揮発的かつ再構成可能なフォトニクス素子を構築するために利用可能か？
• RQ2 局所的レーザーアニーリングは、シリコンフォトニクス回路内の方向性 coupler の結合状態を恒久的に変更可能か？
• RQ3 電力消費なしに、1つのフォトニクスチップ設計を複数の用途に後工程で再プログラミング可能か？
• RQ4 本手法を用いて、汎用的かつ再構成可能なスイッチング回路（1×4および2×2）を実装する可能性は存在するか？
• RQ5 本手法は、用途特化型フォトニクス集積回路のコスト効率の高い大量生産を可能にするか？

主な発見

• イオンドーピングとレーザーアニーリングを組み合わせた消去可能な方向性 coupler は、ドロップポートとスルーポート間の永久的切り替えを実現した。
• 局所的レーザーアニーリングにより、DCの非揮発的再構成が可能となり、プログラミング後もルーティング状態が無期限に保持された。
• 概念実証用の1×4および2×2プログラマブルスイッチング回路が作製され、光学ルーティング関数が正常にプログラムされた。
• 追加の電力供給が不要なため、エネルギー効率の高い用途特化型フォトニクス回路が実現された。
• 本手法により、多様な応用に適した迅速なプロトタイピングと均一なチップ設計が可能となり、大量生産による単位チップコスト低減が達成された。
• 本手法により、フォトニクス回路の後工程でのカスタマイズが可能となり、固定機能型フォトニクス集積回路の限界を克服した。