[논문 리뷰] Compact Dual-Polarization Silicon Integrated Couplers for Multicore Fibers

Julián L. Pita, Lucas G. Rocha외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 17.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 22인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 32 µm의 코어 간 거리를 가지는 다핵자 섬유의 모든 일곱 개의 코어에 동시에 효율적으로 커플링할 수 있는 컴팩트한 이중 편광성 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 커플러를 제시한다. 최적화된 2차원 격자와 초소형 테이퍼를 사용하여 장치는 −4.3 dB의 커플링 효율, 48 nm의 3 dB 대역폭, −42.7 dB 이하의 crosstalk를 달성하였으며, 표준 SOI 플랫폼에서 밀도 높은 다핵자 섬유의 모든 코어에 대한 이중 편광 커플링을 처음으로 실험적으로 구현한 것이다.

ABSTRACT

Compact fiber-to-chip couplers play an important role in optical interconnections, especially in data centers. However, the development of couplers has been mostly limited to standard single-mode fibers, with few devices compatible with multicore and multimode fibers. Through the use of state-of-the-art optimization algorithms, we designed a compact dual-polarization coupler to interface chips and dense multicore fibers, demonstrating, for the first time, coupling to both polarizations of all the cores, with measured coupling efficiency of -4.3 dB and with a 3 dB bandwidth of 48 nm. The dual-polarization coupler has a footprint of 200 mu m(2) per core, which makes it the smallest fiber-to-chip coupler experimentally demonstrated on a standard silicon-on-insulator platform. (C) 2021 Optical Society of America

연구 동기 및 목표

• 통합 광학에서 밀도 높은 다핵자 섬유를 위한 컴팩트한 이중 편광 커플러의 부족을 해결한다.
• 모든 코어에서 동시에 두 편광 상태를 지원함으로써 고용량 광 간선을 가능하게 한다.
• 기존의 단일 편광성 또는 비균일한 커플러가 공간 분할 multiplexing 시스템의 용량을 제한하는 한계를 극복한다.
• 고밀도 통합에 적합한 피드백에서 고효율 커플링과 낮은 crosstalk를 달성한다.

제안 방법

• 모든 코어당 두 개의 겹쳐진 단일 편광성 2차원 격자를 사용하여 이중 편광 커플러를 설계하였으며, 3차원 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 최적화하였다.
• 삽입 손실을 최소화하기 위해 각 격자에서 450 nm 너비의 실리콘 웨이브가이드로 연결하는 초소형 테이퍼(10 µm × 5 µm)를 사용하였다.
• 커플링 효율과 대역폭을 극대화하기 위해 시뮬레이션을 통해 격자 간격(623 nm)과 채움 인자(0.7)를 최적화하였다.
• 250 nm 두께의 SOI 웨이퍼(3 µm의 묻힌 산화막 포함)를 사용하여 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 통해 장치를 제작한 후, PECVD를 이용한 SiO₂ 클래딩을 도포하였다.
• 특성 평가를 위해 팬아웃 구성을 사용하였으며, 반대편 측면에 일반적인 집중 격자 커플러를 통해 단일 모드 섬유를 커플링하였다.
• 조정 가능한 피에조 액추에이터를 사용한 정렬 장치와 함께 가변 주기 레이저, 통합 영역을 가진 파wr 미터, 광스펙트럼 분석기를 사용하여 커플링 효율과 crosstalk를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 32 µm 간격을 가지는 밀도 높은 다핵자 섬유의 모든 코어를 표준 SOI 플랫폼에서 컴팩트한 이중 편광 커플러로 인터페이스할 수 있는가?
• RQ2 모든 코어에서 두 편광 상태를 동시에 지원할 경우, 달성 가능한 커플링 효율과 3 dB 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 제작 과정에서 유발되는 비균일성이 이 컴팩트한 장치의 커플링 효율과 편광 의존 손실에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 이웃하는 코어 간의 crosstalk를 −42 dB 이하로 억제할 수 있는가, 동시에 고효율과 넓은 대역폭을 유지할 수 있는가?
• RQ5 코어 당 200 µm²의 피드백은 다핵자 섬유 간선에서 고밀도 통합을 가능하게 하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 이중 편광 커플러는 코어 2에서 최대 −4.3 dB의 커플링 효율을 달성하였으며, 코어 1에서는 최소 −5.4 dB를 기록하여 코어 간 1.1 dB의 변동을 보였다.
• 장치의 3 dB 대역폭은 실험적으로 48 nm로 측정되었으며, 1505 nm에서 1553 nm 사이의 범위를 가지며 시뮬레이션 대비 약간의 파란 이동(블루 시프트)을 보였다.
• 최악의 경우 코어 간 crosstalk는 1508 nm에서 −42.7 dB로 측정되었으며, 이는 해당 파장에서 커플링 효율보다 34.7 dB 낮은 값이었다.
• 편광 의존 손실은 최대 0.54 dB로 측정되어 장치의 비대칭성이나 웨이브가이드 굽힘에 대한 민감도가 매우 낮음을 시사한다.
• 코어 당 200 µm²의 피드백은 표준 SOI 플랫폼에서 실험적으로 구현된 가장 작은 피드백을 차지한다.
• 장치는 다핵자 섬유의 일곱 개의 모든 코어에 대한 완전한 이중 편광 커플링을 가능하게 하였으며, 이러한 밀도 높은 코어 배열에 대해 이와 같은 형태의 실험적 구현은 처음으로 이루어진 것이다.