[논문 리뷰] New silicon photonics integration platform enabled by novel micron-scale bends

Matteo Cherchi, Sami Ylinen외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 09.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 28인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 마이크론 스케일 웨이브가이드를 사용하는 새로운 실리콘 포토닉스 플랫폼을 소개한다. 여기서는 엔지니어링된 유우러 스프링 컨피그레이션을 통해 10 µm 미만의 굴절 반경과 0.02 dB/90° 이하의 초저손실을 달성한다. 단일 모드 리브 웨이브가이드를 국소적으로 고대비 다모드 스트립 웨이브가이드로 변형함으로써, 단일 모드 작동과 표준 제조 공정 및 섬유 인터페이스 호환성을 유지하면서도 고밀도 통합을 실현한다.

ABSTRACT

Even though submicron silicon waveguides have been proposed for dense integration of photonic devices, to date the lightwave circuits on the market mainly rely on waveguides with micron-scale core dimensions. These larger waveguides feature easier fabrication, higher reliability and better interfacing to optical fibres. Single-mode operation with large core dimensions is obtained with low lateral refractive index contrast. Hence, the main limitation in increasing the level of integration and in reducing the cost of micron-scale waveguide circuits is their mm- to cm-scale minimum bending radius. Fortunately, single-mode rib waveguides with a micron-scale silicon core can be locally transformed into multi-mode strip waveguides that have very high lateral index contrast. Here we show how Euler spiral bends realized with these waveguides can have bending radii below 10 μm and losses below 0.02 dB/90° for the fundamental mode, paving way for a novel densely integrated platform based on micron-scale waveguides.

연구 동기 및 목표

• 기존 마이크론 스케일 실리콘 웨이브가이드 회로에서 발생하는 큰 굴절 반경(mm에서 cm 수준)의 제한을 해결한다. 이는 밀도 높은 포토닉 통합을 방해한다.
• 기존 마이크론 스케일 웨이브가이드에서 제조 용이성, 섬유 인터페이스 및 통합 밀도 사이의 상충 관계를 극복한다.
• 단일 모드 작동이나 손실 증가 없이도 10 µm 이하의 굴절 반경을 달성함으로써 고밀도 포토닉 통합을 가능하게 한다.
• 서브마이크론 웨이브가이드 대안들과 달리 표준 제조 공정과 광섬유 커플링에 호환되는 실용적인 플랫폼을 개발한다.
• 다모드 스트립 웨이브가이드에서의 고수평 굴절률 대비를 활용하여, 단일 모드 행동을 유지하면서도 컴act하고 낮은 손실의 굴절을 가능하게 한다.

제안 방법

• 표준 제조 공정과 섬유 커플링에 호환되도록 마이크론 스케일 실리콘 코어를 가진 단일 모드 리브 웨이브가이드를 사용한다.
• 긴밀한 굴절을 가능하게 하기 위해 리브 웨이브가이드를 고수평 굴절률 대비를 가진 다모드 스트립 웨이브가이드로 국소적으로 변형한다.
• 고대비 다모드 영역에서 에이러 스플라인 굴절을 적용하여 날카로운 굴절 시 복사 손실을 최소화한다.
• 리브 웨이브가이드와 스트립 웨이브가이드 기하구조 간의 전이부를 설계하여 주 전파 경로에서 단일 모드 작동을 유지한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 웨이브가이드 횡단면과 굴절 프로파일을 최적화하여 낮은 손실과 높은 구속성을 달성한다.
• 기본 모드에 대한 전체 벡터 모드 분석과 굴절 구조 전역에서의 전파 손실 계산을 통해 설계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크론 스케일 실리콘 웨이브가이드는 단일 모드 작동과 낮은 전파 손실을 유지하면서도 10 µm 이하의 굴절 반경을 달성할 수 있는가?
• RQ2 리브 웨이브가이드를 고대비 다모드 스트립 웨이브가이드로 변형함으로써 어떻게 더 날카로운 굴절과 감소된 복사 손실을 달성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 구조에서 에이러 스플라인 굴절을 사용할 경우, 단일 모드 기본 모드의 최소 실현 가능한 굴절 반경과 해당 손실은 얼마인가?
• RQ4 이 방법은 제조 호환성이나 섬유 인터페이스 능력을 희생시키지 않고 통합 밀도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 리브 웨이브가이드와 스트립 웨이브가이드 세그먼트 간의 전이부는 주 회로 경로에서 단일 모드 행동을 유지하도록 설계될 수 있는가?

주요 결과

• 엔지니어링된 고대비 다모드 스트립 웨이브가이드 영역에서의 에이러 스플라인 굴절은 10 µm 이하의 굴절 반경을 달성한다.
• 기본 모드의 전파 손실은 90° 굴절당 0.02 dB 이하로 낮아져 복사 손실이 크게 감소한다.
• 주 리브 웨이브가이드 경로에서 단일 모드 작동을 유지하면서도 전이 영역에서 컴act한 굴절을 실현한다.
• 기존 제조 공정과 호환되는 표준 마이크론 스케일 웨이브가이드를 사용함으로써 밀도 높은 포토닉 통합을 가능하게 한다.
• 큰 코어 치수와 낮은 모드 필드 불일치로 인해 광섬유와의 실용적 통합을 지원한다.
• 기존 마이크론 스케일 웨이브가이드 회로에서 발생하는 mm~cm 수준의 굴절 반경 제한이라는 주요 문제를 해결한다.