[논문 리뷰] High Performance Optical Filters Using Three Waveguide Coupled Sagnac Loop Reflectors

Hamed Arianfard, Jiayang Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 168인용 수 135

한 줄 요약

이 논문은 일체형 광학 필터 플랫폼으로서 세 파장관통로를 갖춘 사각형 루프 반사판(3WC-SLR)을 제안하며, 간섭을 통한 공명 모드 간섭을 활용하여 초고해상도 대비비율, 급격한 기울기 및 다양한 필터 응답을 달성한다. 이 설계는 고성능 광학 Fano 공명, 저자유스펙트럴역대(FSR)를 갖춘 모드 분리 및 고전적 Butterworth, Chebyshev, Bessel, 타원형 필터를 실현하며, 실용적 구현을 위해 철저한 파arameter 및 내구성 분 析를 통해 검증된다.

ABSTRACT

We theoretically investigate advanced multi-functional integrated photonic filters formed by three waveguide coupled Sagnac loop reflectors (3WC-SLRs). By tailoring the coherent mode interference, the spectral response of the 3WC-SLR resonators is engineered to achieve diverse filtering functions with high performance. These include optical analogues of Fano resonances that yield ultrahigh spectral extinction ratios (ERs) and slope rates, resonance mode splitting with high ERs and low free spectral ranges, and classical Butterworth, Bessel, Chebyshev, and elliptic filters. A detailed analysis of the impact of the structural parameters and fabrication tolerances is provided to facilitate device design and optimization. The requirements for practical applications are also considered. These results theoretically verify the effectiveness of using 3WC-SLR resonators as multi-functional integrated photonic filters for flexible spectral engineering in diverse applications.

연구 동기 및 목표

• 다양한 스펙트럼 응답을 고성능으로 달성할 수 있는 다기능 일체형 광학 필터 플랫폼을 개발하는 것.
• 기존의 공명기반 필터의 한계를 해결하기 위해, 스펙트럼 엔지니어링의 유연성을 향상시키기 위해 세 파장관통로를 갖춘 Sagnac 루프 아키텍처를 도입하는 것.
• 구조적 파arameter 민감도 및 제조 허용 오차 분 析를 통해 실용적 구현을 가능하게 하는 것.
• 단일 일체형 플랫폼 내에서 고전적 광학 필터(Butterworth, Chebyshev, Bessel, 타원형)와 이국적인 응답(Fano 공명, 모드 분리)을 동시에 실현하는 것.
• CMOS 호환 SOI 플랫폼에서 산란 행렬 방법을 사용한 이론적 모델링을 통해 설계를 검증하는 것.

제안 방법

• 3WC-SLR 공명기 아키텍처는 버스 파장관통로를 통해 연결된 세 개의 Sagnac 루프 반사판(SLR)으로 구성되며, 복잡한 공명 모드 간섭을 가능하게 하기 위해 진동형 또는 평행 구조로 구성된다.
• SLR의 반사율(ts)과 파장관통로 커플러의 커플링 강도(tb)를 독립적으로 제어하여 공명 모드 간섭을 정밀하게 조절한다.
• 스펙트럼 응답을 모델링하기 위해 산란 행렬 방법을 사용하여, 모든 구성에서 간섭 효과를 정확하게 시뮬레이션할 수 있다.
• 군집속도가 4.3350(TE 모드)이고 전파 손실이 2.4 dB/cm인 CMOS 호환 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 파장관통로를 활용한다.
• 목표 스펙트럼 함수를 달성하기 위해 파장관통로 길이(LSLR, Li)와 커플링 파arameter를 조절하여 필터 응답을 설계한다.
• 이론적 분 析는 Fano 공명, 모드 분리 및 고전적 필터 응답의 성능 평가를 표준 필터 설계 원칙에 따라 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 파장관통로를 갖춘 Sagnac 루프 반사판(3WC-SLR)은 2WC-SLR에 비해 더 높은 성능의 광학 필터링과 더 높은 유연성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 3WC-SLR에서의 공명 모드 간섭은 Fano 공명 및 고전적 필터 형상과 같은 다양한 스펙트럼 응답을 실현하기 위해 얼마나 조절 가능한가?
• RQ3 구조적 파arameter(예: 커플링 강도, 파장관통로 길이)와 제조 허용 오차가 필터 성능 및 내구성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 3WC-SLR는 한 개의 컴act 플랫폼 내에서 Fano 공명, 모드 분리 및 고전적 Butterworth/Chebyshev/Bessel/타원형 필터와 같은 다수의 필터링 기능을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ5 광통신 및 센서와 같은 실제 응용 분야에 3WC-SLR를 구현하기 위한 실용적 설계 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 3WC-SLR 플랫폼은 초고해상도 대비비율(ER)과 급격한 기울기 비율을 갖춘 광학 Fano 공명을 실현하여 고감도 응용에 적합하다.
• 저자유스펙트럴역대(FSR)를 갖춘 고해상도 대비비율(ER)의 공명 모드 분리를 실현하여, 고밀도 파장분할 multiplexing(DWDM)에 적합한 소형 고-Q 장치를 가능하게 한다.
• 고전적 필터 응답(Butterworth, Chebyshev, Bessel, 타원형)이 3WC-SLR 아키텍처를 통해 광 영역에서 성공적으로 합성되었다.
• 이론적 분 析는 3WC-SLR 설계가 제조 허용 오차에 대해 강건하며, 현실적인 파arameter 변화 범위에서도 성능이 유지됨을 확인했다.
• 평행 및 진동형 구조는 각각 다른 장점을 제공한다: 평행 구조는 하이브리드 FIR/IIR 필터링을 가능하게 하고, 진동형 구조는 복잡한 스펙트럼 형상화를 위한 향상된 간섭 제어를 제공한다.
• 이 플랫폼은 CMOS 제조 공정과 호환되어 확장성, 저손실 및 대량 생산 가능성을 갖추어 실용적 일체형 광학 회로에 적합하다.