[논문 리뷰] Resonance-Free Light Recycling

You-Chia Chang, Samantha P. Roberts외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 08.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 7인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 공간모드 다중화를 이용한 공진 없는 빛 재활용 기술을 제안하여 확장 가능하고 저전력인 광학적 위상이동소자를 실현한다. 공진 구조를 회피함으로써, 이 방법은 100 nm 이상의 광학 대역폭과 π 위상 이동당 1.7 mW의 전력 소비를 달성하여 기존의 공진 방식 대비 전력 소비를 8배 이상 감소시키며, 제조 공차에 대한 민감도도 크게 향상시켰다 (±15 nm).

ABSTRACT

The inability to efficiently tune the optical properties of waveguiding structures has been one of the major hurdles for the future scalability of integrated photonic systems. In silicon photonics, although dynamic tuning has been achieved with various mechanisms, even the most effective thermo-optic effect offers a refractive index change of only $1.86 imes 10^{-4} K^{-1}$. To enhance this small change, light recycling based on resonators has been employed in order to realize efficient modulators, phase shifters, and optical switches. However, the resonant enhancement comes at a great cost of optical bandwidth, fabrication tolerance and system scalability. Here we demonstrate a scalable light recycling approach based on spatial-mode multiplexing. Our approach offers a fabrication tolerance of ${\pm}$ 15 nm, in stark contrast to the non-scalable subnanometer tolerance in typical silicon resonators. We experimentally demonstrate light recycling up to 7 passes with an optical bandwidth greater than 100 nm. We realize power-efficient thermo-optic phase shifters that require only 1.7 mW per $π$, representing more than an 8-fold reduction in the power consumption.

연구 동기 및 목표

• 공진 구조에 의존하는 실리콘 포토닉스에서의 빛 재활용 기술이 좁은 광학 대역폭과 엄격한 제조 공차로 인해 제한되는 문제를 해결한다.
• 실리콘 웨이브가이드에서 열광학 효과의 낮은 굴절률 조절 효율성 문제를 해결하여 전력 효율성과 확장성을 제한한다.
• 공진에 의존하지 않는 고성능의 확장 가능한 공진 모듈레이터 및 위상이동소자 대안을 개발한다.
• 높은 제조 공차를 확보하면서도 높은 광로 길이 증폭을 유지하여 효율적인 빛 재활용을 달성한다.
• 시스템 수준의 확장성 향상을 위해 실용적이고 전력 효율적인 통합 포토닉 시스템 솔루션을 제시한다.

제안 방법

• 공진 증폭에 의존하지 않고 다중 웨이브가이드 모드를 통해 빛을 루팅하고 재활용하기 위해 공간모드 다중화를 활용한다.
• 효율적인 빛 재활용을 위해 제어된 결합과 위상 일치를 갖는 다중 공간 모드를 지원하는 웨이브가이드 구조를 설계한다.
• 국부적 가열을 통해 열광학적 테이닝을 이용해 위상 이동을 유도하며, 재활용된 빛 경로가 단위 전력당 효과적인 위상 이동을 증폭시킨다.
• 위상 이동 영역을 최대 7회 통과할 수 있는 다중 통과 구성 구조를 구현하여 효과적인 상호작용 길이를 증가시킨다.
• 교차 간섭을 최소화하고 조절 효율을 극대화하기 위해 웨이브가이드 기하구조와 열적 분리 구조를 최적화한다.
• 비공진, 광대역 설계를 통해 100 nm 이상의 광학 대역폭을 확보하여 다양한 파장에서의 운영을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진에 의존하지 않고 빛 재활용을 구현할 수 있는가? 이는 대역폭과 제조 공차 제한 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 공진 필터링을 유발하지 않으면서 공간모드 다중화가 실리콘 웨이브가이드에서 효과적인 상호작용 길이를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 비공진 빛 재활용 기반 위상이동소자의 전력 효율성은 기존의 공진 설계 대비 어느 정도 우수한가?
• RQ4 실제 실리콘 포토닉 통합에서의 비공진 빛 재활용 아키텍처에서 달성 가능한 최대 제조 공차는 어느 정도인가?
• RQ5 이 방법을 통해 실생활 통합 포토닉 플랫폼에서 확장 가능하고 광대역이며 저전력인 위상이동소자를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 7회 통과를 통해 빛 재활용을 구현하며, 100 nm 이상의 광학 대역폭을 확보하여 광대역 운영을 입증하였다.
• 시스템은 ±15 nm의 제조 공차를 보이며, 이는 일반적으로 공진 구조에서 요구하는 수 나노미터 이하의 공차보다 훨씬 유연하다.
• 열광학적 위상이동소자는 π 위상 이동당 단지 1.7 mW의 전력 소비를 기록하여 기존의 공진 설계 대비 전력 소비가 8배 이상 감소하였다.
• 비공진 설계는 공진 시스템에서 흔히 볼 수 있는 좁은 피크 너비와 제조 변동성에 대한 민감도를 피함으로써 시스템의 확장성을 향상시켰다.
• 공간모드 다중화 접근법은 고-Q 공진기의 필요 없이도 효율적인 빛 재활용을 가능하게 하여 넓은 파장 범위에서 고성능을 유지한다.
• 실험적 검증을 통해 이론적 접근의 실현 가능성과 성능이 실제 실리콘 포토닉 플랫폼에서 확인되었으며, 전력 효율성 향상과 내구성 향상의 측면에서 명백한 개선이 있었다.