[论文解读] Hybrid 2D/3D Photonic Integration for Non-Planar Circuit Topologies

A. Nešić, Matthias Blaicher+5 more|Repository KITopen (Karlsruhe Institute of Technology)|Jan 1, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文提出一种混合2D/3D光子集成方法，利用3D打印的自由形态波导过路（WOPs）消除复杂非平面光子集成电路（PICs）中的波导交叉（WGX）。通过在硅基平台上对4×4选路开关（SAS）电路应用该方法，作者展示了无WGX运行的可行性，表明WOP数量随端口数n呈n²增长，而WGX数量则随n呈n⁴增长。

ABSTRACT

Complex photonic integrated circuits (PIC) may have strongly non-planar topologies that require waveguide crossings (WGX) when realized in single-layer integration platforms. The number of WGX increases rapidly with the complexity of the circuit, in particular when it comes to highly interconnected optical switch topologies. Here, we present a concept for WGX-free PIC that rely on 3D-printed freeform waveguide overpasses (WOP). We experimentally demonstrate the viability of our approach using the example of a $4 imes 4$ switch-and-select (SAS) circuit realized on the silicon photonic platform. We further present a comprehensive graph-theoretical analysis of different $n imes n$ SAS circuit topologies. We find that for increasing port counts $n$ of the SAS circuit, the number of WGX increases with $n^4$, whereas the number of WOP increases only in proportion to $n^2$.

研究动机与目标

• 解决高度互联、非平面光子集成电路（PICs）中波导交叉（WGX）日益增长的挑战。
• 克服2D集成平台在复杂电路拓扑中需依赖WGX的局限性。
• 利用3D打印的自由形态波导过路（WOPs）开发适用于非平面电路拓扑的可扩展解决方案。
• 在硅光子平台上实验验证4×4选路开关（SAS）电路中无WGX运行的可行性。
• 利用图论方法分析n×n SAS电路中基于WOP的设计可扩展性。

提出的方法

• 在2D硅光子平台上集成3D打印的自由形态波导过路（WOPs），以实现垂直互连。
• 采用增材制造技术制造WOPs，实现精确对准和低传播损耗。
• 设计一种4×4选路开关（SAS）电路拓扑，通过WOPs布线信号，避免波导交叉。
• 应用图论建模方法，从WGX和WOP需求的角度分析n×n SAS电路的拓扑复杂度。
• 通过S参数测量和插入损耗分析表征所制造WOPs的光学性能。
• 对比分析端口数n增加时，WGX（按n⁴增长）与WOPs（按n²增长）的规模变化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非平面光子电路拓扑中，波导交叉（WGX）数量随端口数n的增加如何变化？
• RQ2 3D打印的波导过路（WOPs）能否在复杂光子电路中有效替代波导交叉？
• RQ3 与传统2D集成相比，基于WOP的设计在元件数量和电路复杂度方面具有怎样的可扩展性？
• RQ4 3D打印WOPs在真实硅光子平台中的光学性能如何？
• RQ5 图论模型如何预测n×n选路开关（SAS）电路所需的最少WOP数量？

主要发现

• 在n×n选路开关（SAS）电路中，波导交叉（WGX）数量随n⁴增长，表明2D集成对大n值不可行。
• 所需波导过路（WOPs）数量仅随n²增长，显著提升了可扩展性。
• 通过实验成功演示了基于WOPs的4×4 SAS光子电路，实现了无WGX运行。
• 所制造的WOPs表现出低传播损耗，实现了非平面拓扑中高效信号路由。
• 图论分析证实，基于WOP的设计相较于依赖WGX的2D集成提供了更具可扩展性的替代方案。
• 该方法使原本受2D版图约束限制的复杂、高度互联光子电路得以实现。