[논문 리뷰] Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics

Yan Zhang, Qingyang Du외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 25.

Magneto-Optical Properties and Applications참고 문헌 30인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 고성능 자기광학 펌프 필름을 파이프 웨이브의 측면벽에 증착하여 실리콘 및 실리콘 질화물 플랫폼에서 광대역, 편광 다이버스티컬한 광 이sov레이터의 일체형 통합을 제안한다. 이 방법은 기록적인 높은 성능을 달성하며, 완전 광대역 TE 모드 이sov레이션을 실현하여 편광 다중화 실리콘 광학 회로에서 비상호성 기능을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Integrated optical isolators have been a longstanding challenge for photonic integrated circuits (PIC). An ideal integrated optical isolator for PIC should be made by a monolithic process, have a small footprint, exhibit broadband and polarization-diverse operation, and be compatible with multiple materials platforms. Despite significant progress, the optical isolators reported so far do not meet all these requirements. In this article we present monolithically integrated broadband magneto-optical isolators on silicon and silicon nitride (SiN) platforms operating for both TE and TM modes with record high performances, fulfilling all the essential characteristics for PIC applications. In particular, we demonstrate fully-TE broadband isolators by depositing high quality magneto-optical garnet thin films on the sidewalls of Si and SiN waveguides, a critical result for applications in TE-polarized on-chip lasers and amplifiers. This work demonstrates monolithic integration of high performance optical isolators on chip for polarization-diverse silicon photonic systems, enabling new pathways to impart nonreciprocal photonic functionality to a variety of integrated photonic devices.

연구 동기 및 목표

• 광학 통합 회로(PIC)에 작고 광대역이며 편광 다이버스티컬한 광 이sov레이터를 통합하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 다양한 재료와 웨이브가이드 모드와 호환되는 실리콘 및 실리콘 질화물 플랫폼에 자기광학 이sov레이터의 일체형 통합을 가능하게 하기 위해.
• 단일 제조 공정을 통해 TE 및 TM 편광 모두에 대해 고성능 광대역 이sov레이션을 달성하기 위해.
• 편광에 민감하지 않은 비상호성 광학 구성 요소가 필요한 칩 내 레이저 및 앰프리피어 어플리케이션을 지원하기 위해.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착을 통해 실리콘 및 실리콘 질화물 웨이브가이드의 측면벽에 고품질 자기광학 펌프 필름을 증착하기 위해.
• 자기광학 상호작용의 효율성을 높이기 위해 웨이브가이드 기하구조를 설계하여 모드 오버랩을 향상시키기 위해.
• 하이브리드 조립 없이도 실리콘 및 실리콘 질화물 플랫폼에 직접 이sov레이터를 일체형으로 통합하기 위해 단일 제조 공정을 활용하기 위해.
• 적용된 자기장 하에서 펌프 필름의 파라데이 효과를 이용해 비상호성 광학 이sov레이션을 실현하기 위해.
• 전파 손실을 최소화하고 이sov레이션 대역폭을 극대화하기 위해 필름 품질 및 인터페이스 엔지니어링을 최적화하기 위해.
• 칩 내 특성 측정을 통해 TE 및 TM 편광 상태 모두에서 성능을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고성능과 낮은 손실을 동시에 확보하면서 실리콘 및 실리콘 질화물 플랫폼에 광대역, 편광 다이버스티컬한 광 이sov레이터를 일체형으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 자기광학 펌프 필름을 어떻게 웨이브가이드와 효과적으로 통합하여 TE 및 TM 모드 모두에 대해 광대역 이sov레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ3 일체형 통합 시스템에서 TE 편광 빛에 대해 도달할 수 있는 최대 이sov레이션 대역폭과 고립비는 얼마인가?
• RQ4 다양한 재료 플랫폼에서도 성능이 유지되며 칩 내 레이저 및 앰프리피어와의 호환성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 웨이브가이드 측면벽에 고품질 펌프 필름을 제작하는 데 있어 핵심적인 제조 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 극복할 수 있는가?

주요 결과

• 일체형으로 통합된 이sov레이터는 실리콘 및 실리콘 질화물 플랫폼에서 TE 및 TM 모드 모두에 대해 광대역 이sov레이션을 실현하여 편광 다이버스티컬 작동을 입증하였다.
• 완전 광대역 TE 모드 이sov레이션은 높은 고립비와 낮은 삽입 손실을 통해 실현되었으며, 이는 TE 편광 칩 내 레이저 및 앰프리피어에서의 활용을 가능하게 하였다.
• 고품질 자기광학 펌프 필름이 웨이브가이드 측면벽에 성공적으로 증착되어 강한 파라데이 회절과 효율적인 비상호성 이sov레이션을 실현하였다.
• 실리콘 광학 플랫폼에서 일체형 통합을 위한 이sov레이션 대역폭과 고립비 측면에서 기록적인 높은 성능을 기록하였다.
• 표준 실리콘 광학 제조 공정과 호환되어 확장성과 다른 광학 구성 요소와의 공통 통합이 가능하다.
• 이 방법은 편광 다중화 광학 회로에서 비상호성 기능을 실현할 수 있게 하여 고도화된 PIC의 핵심 추진력이 되었다.