[논문 리뷰] Free-form micro-optics enabling ultra-broadband low-loss fiber-to-chip coupling

Shaoliang Yu, Luigi Ranno외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 29.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초광대역, 저손실의 파장 간섭형 섬유-칩 커플링을 위한 자유형 반사 미세광학 기법을 제안하며, 1550 nm에서 0.5 dB의 손실을 기록으로 달성하고 O 대역에서 U 대역까지 300 nm의 1-dB 대역폭을 확보하였다. 이 방법은 고성능 반사 미세광학을 설계하기 위해 단순화된 이중 시뮬레이션 최적화 프레임워크를 사용하여 계산 비용을 줄였으며, 고정렬 내성과 soldre 리플로우 공정 호환성을 확보하여 확장 가능한 광학 패ckaging을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Efficient fiber-to-chip coupling has been a major hurdle to cost-effective packaging and scalable interconnections of photonic integrated circuits. Conventional photonic packaging methods relying on edge or grating coupling are constrained by high insertion losses, limited bandwidth density, narrow band operation, and sensitivity to misalignment. Here we present a new fiber-to-chip coupling scheme based on free-form reflective micro-optics. A design approach which simplifies the high-dimensional free-form optimization problem to as few as two full-wave simulations is implemented to empower computationally efficient design of high-performance free-form reflectors while capitalizing on the expanded geometric degrees of freedom. We demonstrated fiber array coupling to waveguides taped out through a standard foundry shuttle run and backend integrated with 3-D printed micro-optics. A low coupling loss down to 0.5 dB was experimentally measured at 1550 nm wavelength with a record 1-dB bandwidth of 300 nm spanning O to U bands. The coupling scheme further affords large alignment tolerance, high bandwidth density and solder reflow compatibility, qualifying it as a promising optical packaging solution for applications such as wavelength division multiplexing communications, broadband spectroscopic sensing, and nonlinear optical signal processing.

연구 동기 및 목표

• 기존의 엣지 커플러 및 그레이팅 커플러의 한계, 즉 높은 삽입 손실과 좁은 대역폭 문제를 해결하기 위해.
• 표준 공정 공정과 고량 패키징에 호환되는 확장 가능한 저손실 섬유-칩 커플링 솔루션을 개발하기 위해.
• O 대역에서 U 대역에 이르는 초광대역 작동을 유지하면서도 저손실과 고정렬 내성을 확보하기 위해.
• 복잡한 자유형 반사 미세광학을 위한 계산 효율적인 설계 방법론을 제시하기 위해.

제안 방법

• 고차원의 자유형 설계 문제를 단순화하기 위해 이중 시뮬레이션 최적화 프레임워크를 사용하여 계산 비용을 감소시키면서도 성능을 유지한다.
• 자유형 반사 미세광학는 표준 공정 공정 후 백엔드 공정에서 3D 프린팅을 통해 제작되고 웨이브가이드에 통합된다.
• 확장된 기하학적 자유도를 활용하여 섬유와 칩 웨이브가이드 간의 최적 모드 매칭을 위한 파면을 형상화한다.
• 광선의 분산과 위상 프로파일을 정밀하게 제어하여 넓은 스펙트럼에 걸쳐 커플링 손실을 최소화한다.
• 제작된 시스템은 3D 프린팅된 미세광학를 통해 파장 간섭형 섬유 어레이와 웨이브가이드 어레이를 커플링하며, 실험적 테스트를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유형 반사 미세광학는 기존의 엣지 및 그레이팅 커퍼의 한계를 뛰어넘어 초광대역, 저손실의 섬유-칩 커플링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전면파 시뮬레이션을 광범위하게 요구하지 않고도 자유형 광학의 고차원 설계 공간을 효율적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ3 3D 프린팅을 활용한 자유형 미세광학를 사용한 섬유-칩 커플링의 실현 가능한 대역폭과 손실 성능는 어떠한가?
• RQ4 제안된 커플링 방법은 정렬 오차에 얼마나 잘 견디며, 리플로우 soldre 공정을 어떻게 견뎌내는가?

주요 결과

• 1550 nm에서 실험적으로 측정된 커플링 손실은 최소 0.5 dB로, 섬유-칩 커플링의 높은 효율성을 입증하였다.
• 시스템은 기록적인 1-dB 대역폭 300 nm를 확보하였으며, 이는 O 대역(1260–1360 nm)에서 U 대역(1570–1625 nm)까지를 커버한다.
• 커플링 방법은 큰 정렬 내성을 보이며, 고량, 저비용 패키징에 적합하다.
• 설계는 soldre 리플로우 공정과 호환되어 표준 전자 패키징 공정 흐름과의 통합이 가능하다.