[논문 리뷰] Integrated Fabry-Perot cavities as a mechanism for enhancing micro-ring resonator performance

Jiayang Wu, Tania Moein외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 32인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에서, 연속된 샹낭 루프 반사기(SLR)로 구성된 통합 파르티-페로트(FP) 공진기 내에 마이크로링 공진기(MRR)를 통합하여 그 필터링 성능을 향상시키는 방법을 제안한다. 간섭을 이용한 공진기의 스펙트럼 재형성으로 MRR의 전송 스펙트럼을 재구성함으로써, Q 인자 수치는 최대 11배 향상되고, 외부 비율은 8 dB 향상되며, 이는 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에서 실험적으로 입증되었다.

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate the enhancement in the filtering quality (Q) factor of an integrated micro-ring resonator (MRR) by embedding it in an integrated Fabry-Perot (FP) cavity formed by cascaded Sagnac loop reflectors (SLRs). By utilizing coherent interference within the FP cavity to reshape the transmission spectrum of the MRR, both the Q factor and the extinction ratio (ER) can be significantly improved. The device is theoretically analyzed, and practically fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) wafer. Experimental results show that up to 11-times improvement in Q factor, together with an 8-dB increase in ER, can be achieved via our proposed method. The impact of varying structural parameters on the device performance is also investigated and verified by the measured spectra of the fabricated devices with different structural parameters.

연구 동기 및 목표

• 광학 집적 회로를 위한 통합 마이크로링 공진기(MRR)의 필터링 성능을 향상시키기 위해.
• 제조 공정 오차와 전파 손실로 인해 MRR이 고 Q 인자와 고 외부 비율을 달성하는 데에 내재된 한계를 해결하기 위해.
• 복잡한 제조 공정을 요구하지 않는 컴act한 온칩 솔루션을 개발하여 MRR 성능을 향상시키기 위해.
• 신규 FP 공진기 구성으로 Q 인자 및 외부 비율 향상의 실험적 검증을 수행하기 위해.
• 최적화를 위해 구조적 파rameter의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 연속된 샹낭 루프 반사기(SLR)로 구성된 통합 파르티-페로트(FP) 공진기 내에 MRR을 통합하여 고 편밀도 광학 공진기를 구현한다.
• FP 공진기 내의 간섭을 통해 MRR의 전송 스펙트럼을 재형성함으로써 부가 정점(side lobes)를 억제하고 피크의 날카기성을 향상시킨다.
• 이론적 모델링은 결합 모드 이론과 전달 행렬 방법을 사용하여 스펙트럼 응답 및 Q 인자 향상 정도를 예측한다.
• 표준 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼에 장치를 제작한다.
• SLR 길이, 커플링 갭, MRR 반지름 등의 구조적 파rameter를 체계적으로 변화시켜 성능에 미치는 영향을 연구한다.
• 조절 가능한 레이저 소스와 광학 스펙트럼 분석기를 사용하여 실험적 특성 분석을 수행하여 Q 인자 및 외부 비율을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MRR에 FP 공진기를 통합함으로써 Q 인자 및 외부 비율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 FP 공진기 내의 간섭이 MRR의 전송 스펙트럼을 어떻게 재형성하여 필터링 성능을 향상시키는가?
• RQ3 SLR 길이와 커플링 갭을 변화시킬 경우, 하이브리드 공진기 시스템의 Q 인자 및 외부 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장치 면적이나 복잡성 증가 없이 Q 인자를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 구조는 다양한 MRR 반지름과 커플링 조건에서도 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• FP 공진기와의 통합을 통해 마이크로링 공진기의 Q 인자가 실험적으로 11배 향상되었다.
• 외부 비율이 8 dB 향상되어 신호 대 잡음 성능이 크게 향상됨을 나타낸다.
• 이론적 결과와 실험 결과가 강하게 일치하여 설계 접근법과 모델링 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• Q 인자 향상 요인은 간섭에 의한 부가 정점 억제와 효과적인 왕복 경로 길이 증가로 기인한다.
• 구조적 파rameter의 체계적 변화를 통해 SLR 길이와 커플링 갭이 Q 인자 및 외부 비율 최적화에 핵심적인 영향을 미친다.
• 이 방법은 복잡성 없이 컴팩트한 온칩 구성으로 고성능 필터링을 실현할 수 있으며, 광학 집적 회로에 적합하다.