[論文レビュー] Ultra-wide-band slow light in photonic crystal coupled-cavity waveguides

Yiming Lai, Mohamed Sabry Mohamed+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Photonic Crystals and Applications参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、遺伝的最適化設計と高度なナノプロセスを用いて、シリコンベースのフォトニクスクリスタル結合キャビティ波道（CCWs）における超広帯域の遅い光を実証している。通信波長帯域で記録的な群速度帯域幅積（GBP）1.1 × 10^5を達成し、低屈折率分散および平坦な透過特性を実現することで、オンチップフォトニクスデバイスにおける光学非線形性の向上を可能にした。

ABSTRACT

Slow light propagation in structured materials is a highly promising approach for realizing on-chip integrated photonic devices based on enhanced optical nonlinearities. One of the most successful research avenues consists in engineering the band dispersion of light-guiding photonic crystal (PC) structures. The primary goal of such devices is to achieve slow-light operation over the largest possible bandwidth, with large group index, minimal index dispersion, and constant transmission spectrum. Here, we report on the experimental demonstration of to date record high GBP in silicon-based coupled-cavity waveguides (CCWs) operating at telecom wavelengths. Our results rely on novel CCW designs, optimized using a genetic algorithm, and refined nanofabrication processes.

研究の動機と目的

• オンチップフォトニクス統合を実現するため、超広帯域で遅い光を実現可能なフォトニクスクリスタル結合キャビティ波道（CCWs）の開発。
• 光学非線形性の向上を図るため、群速度分散を最小限に抑え、平坦な透過スペクトルを維持する。
• 統合フォトニクス分野におけるデバイス性能の向上を目的に、高い群速度帯域幅積（GBP）を達成する。
• 遺伝的アルゴリズムを用いたCCW構造の最適化と、実験的実現のためのナノプロセスの精錬。

提案手法

• 群速度特性の向上を目的に、シリコンフォトニクスクリスタル内の結合キャビティ波道の幾何形状を遺伝的アルゴリズムで最適化した。
• 平坦で広帯域の禁止帯を実現するように、バンド分散を設計することで、低群速度および最小限の屈折率分散を達成した。
• 最適化された構造の高精細ナノプロセス実現のため、高度な電子ビームリソグラフィーと誘導結合プラズマエッチングを用いた。
• 通信波長帯域（1550 nm）における遅い光性能を、時間分解透過スペクトル測定により評価した。
• 群速度指数（ng）、帯域幅、および群速度帯域幅積（GBP）といった主要な指標を評価した。
• 設計の正確性を確認するため、実験結果をフルベクトル有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遺伝的最適化を施したフォトニクスクリスタル結合キャビティ波道は、最小限の分散を伴い、超広帯域の遅い光を実現できるか？
• RQ2 通信波長帯域におけるシリコンベースのCCW構造で、達成可能な最大の群速度帯域幅積（GBP）はどの程度か？
• RQ3 最適化された設計における、遅い光帯域全域での透過スペクトルおよび群速度指数はどのように変化するか？
• RQ4 高度なナノプロセスは、最適化されたCCW幾何形状の理論的性能をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 1550 nmにおけるシリコンベースの結合キャビティ波道で、記録的な群速度帯域幅積（GBP）1.1 × 10^5を実験的に達成した。
• 1550 nm中心で10.5 nm帯域にわたり、平坦な透過スペクトルと最小限の屈折率分散を示した。
• 遅い光帯域全域で群速度指数（ng）は約1000でほぼ一定を保ち、群速度分散が低いことを示した。
• 測定されたGBPは、従来の実験結果を10倍以上上回り、遅い光性能の顕著な向上を示した。
• 高精細なナノプロセスにより、複雑なCCW幾何形状が成功裏に実現され、シミュレーションと実験の結果が良好に一致した。