[논문 리뷰] Silicon photonic MEMS switches based on split waveguide crossings

Yinpeng Hu, Yi Sun외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 27.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분할 파손파도 교차(SWX)를 사용하여 기계적으로 파손파도 반을 재구성함으로써 저손실, 저교차, 초광대역 스위칭을 달성하는 실리콘 포토닉 MEMS 스위치를 제안한다. 2×2 스위치와 64×64 벤스-탑로지 배열은 넓은 대역에서 초과 손실이 1.5 dB 이하이고 교차 캐리어가 -30 dB 이하로 매우 우수한 성능을 보이며, 포토닉 인터커넥트, LiDAR 및 포토닉 컴퓨팅 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

The continuous push for high-performance photonic switches is one of the most crucial premises for the sustainable scaling of programmable and reconfigurable photonic circuits for a wide spectrum of applications. Conventional optical switches rely on the perturbative mechanisms of mode coupling or mode interference, resulting in inherent bottlenecks in their switching performance concerning size, power consumption and bandwidth. Here we propose and realize a silicon photonic 2x2 elementary switch based on a split waveguide crossing (SWX) consisting of two halves. The propagation direction of the incident light is manipulated to implement the OFF/ON states by splitting/combining the two halves of the SWX, showing excellent performance with low excess loss and low crosstalk over an ultrawide bandwidth. Both elementary switch and a 64x64 switch array based on Benes topology are fabricated and characterized, demonstrating great potential for practical scenarios such as photonic interconnect/routing, Lidar and spectroscopy, photonic computing, as well as microwave photonics.

연구 동기 및 목표

• 모드 커플링 또는 간섭 기반의 기존 광스위치의 성능 한계를 극복하기 위해.
• 기존 포토닉 스위치의 크기, 전력 소모 및 대역폭 측면에서의 제약 요인을 해결하기 위해.
• 고성능, 확장 가능한 포토닉 회로를 위한 분할 파손파도 교차를 활용한 기계적 재구성 가능한 스위치를 개발하기 위해.
• 2×2 스위치 및 64×64 스위치 배열의 제작 및 특성 분석를 통해 실용적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 스위치는 두 개의 독립된 파손파도 반으로 구성된 분할 파손파도 교차(SWX) 구조에 기반하며, 서로에 대해 물리적으로 이동할 수 있다.
• 기계적 액추에이션을 통해 두 파손파도 반을 분리하거나 재결합함으로써 입력 및 출력 포트 간의 빛을 루팅하고, 이로써 ON 및 OFF 상태를 구현한다.
• 파손파도 세그먼트 간의 상대적 위치를 제어하기 위해 MEMS 액추에이션을 활용함으로써 광학 모드 교란을 최소화한다.
• SWX 구조는 스위칭 중 모드 겹침과 대칭성을 유지함으로써 저초과 손실 및 저교차 캐리어를 달성한다.
• 2×2 스위치를 64×64 재구성 가능한 스위치 배열로 확장하기 위해 벤스 네트워크 토폴로지를 사용한다.
• 표준 실리콘 포토닉 공정을 사용하여 제작하고, MEMS 액추에이션 통합을 위한 후처리를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적으로 재구성 가능한 파손파도 교차가 광대역에서 저초과 손실 및 저교차 캐리어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 분할 파손파도 교차 설계는 기존 모드 커플링 기반 스위치에 비해 전력 효율성 및 대역폭 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 대규모 벤스 네트워크에 통합되었을 때 SWX 기반 스위치의 성능 확장성은 어떠한가?
• RQ4 64×64 스위치 배열 구성에서 SWX 기반 스위치가 저교차 캐리어 및 고확산비를 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 MEMS 액추에이션을 갖춘 실리콘 포토닉 스위치에서 기계적 안정성과 스위칭 속도의 실질적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 제작된 2×2 SWX 기반 MEMS 스위치는 넓은 광대역에서 초과 손실이 1.5 dB 이하로 측정되었다.
• 전체 운영 대역폭에서 교차 캐리어가 -30 dB 이하로 억제되어 높은 신호 격리 성능을 나타낸다.
• 벤스 토폴로지를 기반으로 한 64×64 스위치 배열은 저손실 및 저교차 캐리어를 유지하면서 재구성 가능한 루팅을 성공적으로 구현하였다.
• 스위치는 초광대역에서 작동할 수 있어 다중 파장 작동이 필요한 응용 분야에 적합하다.
• 기계적 설계는 정밀한 파손파도 정렬 제어 덕분에 최소한의 광학 모드 왜곡을 유도하며 안정적인 스위칭을 가능하게 한다.
• MEMS 액추에이션과 실리콘 포토닉스의 통합은 확장 가능하고 저전력, 고성능의 포토닉 스위칭을 실현한다.