[논문 리뷰] Hybrid 2D/3D Photonic Integration for Non-Planar Circuit Topologies

A. Nešić, Matthias Blaicher외 5명|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|2016. 01. 01.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 복잡한 비평면 광학 집적 회로(PIC)에서 파장 간섭(WGX)을 제거하기 위해 3D 프린팅된 자유형태 파손파이프 오버패스(WOP)를 사용하는 하이브리드 2D/3D 광학 집적 기반 접근법을 제안한다. 실리콘 기반 플랫폼에 4×4 스위치-선택(SAS) 회로에 이 방법을 적용함으로써 WGX가 없는 작동을 입증하였으며, 포트 수 n이 증가함에 따라 WOP 수는 n²으로 증가하는 반면 WGX 수는 n⁴로 증가함을 보였다.

ABSTRACT

Complex photonic integrated circuits (PIC) may have strongly non-planar topologies that require waveguide crossings (WGX) when realized in single-layer integration platforms. The number of WGX increases rapidly with the complexity of the circuit, in particular when it comes to highly interconnected optical switch topologies. Here, we present a concept for WGX-free PIC that rely on 3D-printed freeform waveguide overpasses (WOP). We experimentally demonstrate the viability of our approach using the example of a $4 imes 4$ switch-and-select (SAS) circuit realized on the silicon photonic platform. We further present a comprehensive graph-theoretical analysis of different $n imes n$ SAS circuit topologies. We find that for increasing port counts $n$ of the SAS circuit, the number of WGX increases with $n^4$, whereas the number of WOP increases only in proportion to $n^2$.

연구 동기 및 목표

• 높은 상호연결성과 비평면적 광학 집적 회로(PIC)에서 증가하는 파장 간섭(WGX) 문제를 해결하기 위해.
• 복잡한 회로 구조를 위해 WGX가 필요로 하는 2D 집적 플랫폼의 한계를 극복하기 위해.
• 3D 프린팅된 자유형태 파손파이프 오버패스(WOP)를 사용하여 비평면 회로 구조에 대한 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위해.
• 실리콘 광학 플랫폼에서 4×4 스위치-선택(SAS) 회로에서 WGX가 없는 작동의 가능성을 입증하기 위해.
• n×n SAS 회로에 대해 그래프 이론적 방법을 사용하여 WOP 기반 설계의 확장성 분석하기 위해.

제안 방법

• 2D 실리콘 광학 플랫폼 위에 3D 프린팅된 자유형태 파손파이프 오버패스(WOP)를 통합하여 수직 연결을 가능하게 하기 위해.
• 정밀한 정렬과 낮은 전파 손실을 갖는 WOP를 적층 제조 기술을 사용해 제작하기 위해.
• 신호를 WOP를 통해 라우팅하여 파장 간섭을 피하는 4×4 스위치-선택(SAS) 회로 구조를 설계하기 위해.
• 그래프 이론적 모델링을 적용하여 n×n SAS 회로의 위상 복잡도를 WGX 및 WOP 요구 사항 측면에서 분석하기 위해.
• S-파라미터 측정 및 삽입 손실 분석을 통해 제작된 WOP의 광학 성능을 특성화하기 위해.
• 포트 수 n이 증가함에 따라 WGX(스케일링이 n⁴)와 WOP(스케일링이 n²)의 스케일링 행동을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평면 광학 회로 구조에서 포트 수 n이 증가함에 따라 파장 간섭(WGX) 수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 3D 프린팅된 파손파이프 오버패스(WOP)는 복잡한 광학 회로에서 파장 간섭을 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ3 성분 수와 회로 복잡도 측면에서 기존 2D 집적 대비 WOP 기반 설계의 확장성은 어떠한가?
• RQ4 실리콘 광학 플랫폼에서 3D 프린팅된 WOP의 광학 성능은 어떠한가?
• RQ5 그래프 이론적 모델은 n×n 스위치-선택(SAS) 회로에 필요한 최소 WOP 수를 어떻게 예측하는가?

주요 결과

• n×n 스위치-선택(SAS) 회로에서 파장 간섭(WGX) 수는 n⁴로 증가하므로, 큰 n에 대해서는 2D 집적이 비현실적이 된다.
• 필요한 파손파이프 오버패스(WOP) 수는 오직 n²으로 증가하므로, 확장성 측면에서 상당한 향상이 있음을 보여준다.
• WOP를 사용하여 기능적인 4×4 SAS 광학 회로가 실험적으로 구현되었으며, WGX가 없는 작동을 달성하였다.
• 제작된 WOP는 낮은 전파 손실을 보였으며, 비평면적 구조에서 효율적인 신호 라우팅을 가능하게 하였다.
• 그래프 이론적 분석을 통해 WOP 기반 설계가 WGX에 의존하는 2D 집적 대비 더 확장 가능한 대안임을 확인하였다.
• 이 방법은 이전에 2D 레이아웃 제약으로 인해 제한되었던 복잡하고 고도로 상호연결된 광학 회로의 실현을 가능하게 한다.