[논문 리뷰] Controlling evanescent waves on-chip using all-dielectric metamaterials for dense photonic integration

Saman Jahani, Sangsik Kim외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 11.

Photonic and Optical Devices인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 광학 회로에서 증발파를 제어하기 위해 칩에 통합된 전체 유전체 이방성 메타물질을 사용하는 것을 제안한다. 이는 설계된 전반적인 내부 반사에 의해 증발파의 감쇠 길이를 줄이는 방식이다. 이 방법은 30배 이상의 crosstalk 감소와 3배 감소된 굽힘 손실을 가능하게 하며, 전파 손실이 3.67 dB/cm에 불과하여 CMOS 플랫폼에서 더욱 조밀한 광학 통합을 실현한다.

ABSTRACT

Miniaturization of optical components with low power consumption fabricated using a CMOS foundry process can pave the way for dense photonic integrated circuits within nanoelectronic platforms. However, the large spatial extent of evanescent light waves generated during nanoscale light confinement are ubiquitous in silicon photonic devices and are the stumbling roadblock to miniaturization. Here, we demonstrate the control of evanescent waves using all-dielectric metamaterials on a chip. We demonstrate that anisotropic metamaterials open a new degree of freedom in total internal reflection (TIR) to reduce the decay length of evanescent waves. This counterintuitive approach uses optical devices which can have a cladding with a higher average index than the core and marks a departure from interference based confinement as in photonic crystal waveguides or slot waveguides which utilize nanoscale field enhancement. We experimentally show that all-dielectric anisotropic metamaterials can help to reduce the cross-talk more than 30 times and bending loss more than 3 times in ultra-compact photonic circuits, two major attributes that limit the integration density in photonic circuits. We verify our all-dielectric metamaterial platform fabricated on a scalable process with a relatively negligible propagation loss of 3.67 dB/cm paving the way to impact future device designs for dense photonic integration

연구 동기 및 목표

• 실리콘 광학 통합 회로에서 장거리 증발파로 인한 소형화 제약을 해결한다.
• 작은 광학 장치에서 강한 빛의 고착과 높은 crosstalk 사이의 기본적 상충 관계를 극복한다.
• 모든 유전체 메타물질을 사용한 CMOS 호환 플랫폼을 개발하여 밀도 높은 광학 통합을 실현한다.
• 유전체 재료의 이방성 굴절률 공학을 통해 전반적 내부 반사의 새로운 자유도를 제공한다.
• 실용적인 칩 내 응용을 위한 저손실 및 향상된 고착 성능을 갖춘 확장 가능한 솔루션을 시연한다.

제안 방법

• 기존 파이프웨이브 설계와는 반대로, 코어보다 평균 굴절률이 높은 클래딩 재료를 갖는 전체 유전체 이방성 메타물질을 설계 및 제작한다.
• 메타물질의 효과적 광학적 성질을 조작하여 전반적 내부 반사 중 증발파의 감쇠 길이를 제어한다.
• 확장 가능한 나노전자 플랫폼에 통합하기 위해 CMOS 호환 제조 공정을 활용한다.
• 광결정 또는 슬롯 웨이브가이드와 같이 간섭 기반 메커니즘에 의존하지 않고, 파장 이하의 제어를 가능하게 하는 메타물질 구조를 구현한다.
• 전파 손실을 최소화하면서 증발파 억제를 최대화하기 위해 이방성 유전체 구조를 최적화한다.
• 초소형 웨이브가이드 회로에서 crosstalk 및 굽힘 손실을 실험적으로 측정하여 설계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이방성 전체 유전체 메타물질은 기존 방법을 초월해 실리콘 광학 웨이브가이드에서 증발파의 감쇠 길이를 줄일 수 있는가?
• RQ2 코어보다 평균 굴절률이 높은 클래딩이 전반적 내부 반사와 증발장 고착에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 메타물질 공학을 통해 초소형 광학 회로에서 crosstalk 및 굽힘 손실을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 CMOS 호환 전체 유전체 플랫폼은 저전파 손실을 유지하면서도 강력한 증발파 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이 접근법은 밀도 높은 광학 통합을 위한 웨이브가이드 설계에 새로운 자유도를 제공하는가?

주요 결과

• 모든 유전체 이방성 메타물질 플랫폼은 기존 웨이브가이드 대비 crosstalk를 30배 이상 감소시켰다.
• 제안된 메타물질 설계를 통해 초소형 광학 회로의 굽힘 손실이 3배 이상 감소했다.
• 제작된 플랫폼은 3.67 dB/cm의 낮은 전파 손실을 나타내어 칩 내 통합에 대한 실용적 확장성을 확보했다.
• 메타물질 접근법은 나노스케일의 전기장 강화나 간섭 기반 고착에 의존하지 않고도 증발파를 효과적으로 제어할 수 있었다.
• 기존의 코어보다 낮은 클래딩 굴절률이 필요하다는 제약을 깨고 웨이브가이드 설계의 새로운 가능성을 열었다.
• 이 방법은 표준 CMOS 제조 공정과 호환되어 향후 나노전자 플랫폼에서의 밀도 높은 광학 통합을 지원한다.