[논문 리뷰] Inverse design and demonstration of a compact on-chip narrowband three-channel wavelength demultiplexer

Logan Su, Alexander Y. Piggott외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 17.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 40 nm 채널 간격(1500 nm, 1540 nm, 1580 nm)과 24.75 µm²의 면적을 가진 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼 상에서 역설계된 컴팩트한 3채널 파장 분리기의 개발을 제시한다. 이중 단계 최적화와 그레이스케일 구조를 방지하기 위한 바이어스 기법을 사용하여, 시뮬레이션된 최고 삽입 손실은 -1.55 dB이며, 측정된 최고 손실은 -2.29 dB이며, crosstalk는 -10.7 dB 이하로 유지되어 네 개의 제작된 장치에서 모두 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

In wavelength division multiplexing (WDM) schemes, splitters must be used to combine and separate different wavelengths. Conventional splitters are fairly large with footprints in hundreds to thousands of square microns, and experimentally-demonstrated MMI-based and inverse-designed ultra-compact splitters operate with only two channels and large channel spacing ($>$100 nm). Here we inverse design and experimentally demonstrate a three-channel wavelength demultiplexer with 40 nm spacing (1500 nm, 1540 nm, and 1580 nm) with a footprint of 24.75 $μ\mathrm{m}^2$. The splitter has a simulated peak insertion loss of -1.55 dB with under -15 dB crosstalk and a measured peak insertion loss of -2.29 dB with under -10.7 dB crosstalk.

연구 동기 및 목표

• 100 nm 이하의 채널 간격을 가진 컴팩트하고 낙폭이 좁은 3채널 파장 분리기를 실리콘 포토닉 통합 회로에 적용하기 위해 개발한다.
• 기존의 WDM 구성 요소는 크기가 크고 일반적으로 두 채널만 지원하며 간격이 넓다는 한계를 극복한다.
• 이전에는 두 채널, 광역 대역 작동만 가능했던 역설계 기법을 활용해 다중 채널, 낙폭이 좁은 분리기를 설계하는 도전 과제를 해결한다.
• 여러 제작된 장치 간의 수율과 일관성을 확보하기 위해 공정 변동성에 대한 내성을 확보한다.
• 미래의 고용량 온칩 광 인터커넥트를 위한 역설계 기반 초컴팩트 다파장 분리기의 실험적 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 연속 최적화(유전율이 연속적으로 변할 수 있도록 허용)와 제조 제약 조건을 반영한 이산 최적화(물질 경계를 나타내기 위해 레벨 세트 함수 사용)를 적용한 이중 단계 역설계 프레임워크를 도입한다.
• 연속 최적화 단계에서 바이어스 기법을 적용하여 이중 구조(실리콘 또는 산화물)를 유도하고, 제조가 불가능한 중간 유전율 값(그레이스케일)을 방지한다.
• 최적화를 위한 기울기 계산을 효율적으로 수행하기 위해 애드조인트 방법을 사용하여 단일 역방향 시뮬레이션을 통해 계산 비용을 절감한다.
• 이산 최적화 단계에서 최소 피처 크기 및 설계 규칙 준수 등의 제조 제약 조건을 구현한다.
• 연속 단계에서는 2차원 유전율 값의 이미지로 장치를 매개변수화하고, 이산 단계에서는 경계 정확도를 높이기 위해 레벨 세트 함수를 사용한다.
• 목표 파장에서의 전송 최대화와 다른 출력 포트로의 crosstalk 최소화를 동시에 고려한 다목적 최적화 함수를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역설계 기법을 활용해 100 nm 이하의 채널 간격을 가진 컴팩트하고 낙폭이 좁은 3채널 파장 분리기를 확장할 수 있는가?
• RQ2 연속 최적화 과정에서 비제조 가능한 '그레이스케일' 구조를 방지하기 위해 역설계 프로세스를 어떻게 안정화할 수 있는가?
• RQ3 공정 변동성으로 인한 영향을 고려할 때, 역설계된 포토닉 장치의 성능이 여러 제작 샘플 간에 얼마나 유지되는가?
• RQ4 기존 설계 대비 역설계 기반 다중 채널 분리기의 면적, 삽입 손실, crosstalk 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 제안된 방법이 3채널 초과 및 더 작은 채널 간격을 가진 분리기 설계로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 3채널 분리기의 면적은 5.5 µm × 4.5 µm(24.75 µm²)이며, 기존의 WDM 구성 요소보다 크게 작다.
• 시뮬레이션된 최고 삽입 손실은 1500 nm에서 -1.55 dB, 1540 nm에서 -1.68 dB, 1580 nm에서 -1.35 dB이며, 모든 채널에서 crosstalk가 -15 dB 이하이다.
• 측정된 최고 삽입 손실은 1551 nm(1540 nm 근처)에서 -2.29 dB이며, crosstalk는 -10.7 dB 이하로 유지되어 제조 오차로 인한 영향을 고려할 때도 뛰어난 성능을 보인다.
• 동일하게 제작된 네 개의 장치는 일관된 전송 스펙트럼을 보이며, 평균 전송 손실이 시뮬레이션 결과와 ±1.5 dB 이내로 유지되어 제조 변동성에 대한 뛰어난 내성을 입증한다.
• 최적화 과정에서의 바이어스 기법이 효과적으로 그레이스케일 구조를 방지하여 연속 최적화에서 이산 설계로의 신뢰성 있는 전환을 가능하게 하였다.
• 장치는 40 nm의 채널 간격을 달성하였으며, 이는 이전의 역설계 기반 이중 채널 장치(>100 nm 간격)보다 훨씬 좁은 간격을 제공하여 고용량 WDM 시스템에 대한 실현 가능성을 입증한다.