[论文解读] Active-cavity photonic molecule optical data wavelength converter for silicon photonics platforms

Hayk Gevorgyan, Anatol Khilo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种CMOS兼容的、电驱动的硅光子学有源腔光子分子波长转换器，可利用低电压射频驱动信号实现高效、片上光学数据波长转换。该器件在24 GHz波长偏移下实现高达-13 dB的转换效率和6 GHz带宽，在56 GHz波长偏移下实现-18 dB的转换效率和4.8 GHz带宽，成功实现了4 Gbps非归零（NRZ）光信号的波长转换，且无需外部光学或高功率射频泵浦。

ABSTRACT

We demonstrate an optical data wavelength converter based on an electrically driven photonic molecule structure comprising two coupled active silicon microring resonators. The converter, supplied by a continuous-wave (CW) microwave drive signal equal in frequency to the desired wavelength shift, replicates an input optical signal at a new wavelength. The optical coupled-cavity system matches supermode resonances to the input and wavelength-converted optical waves maximizing the conversion efficiency. Two device designs that perform wavelength up- and down-conversion by 0.19 nm (24 GHz) with -13 dB conversion efficiency and 6 GHz bandwidth; and by 0.45 nm (56 GHz) with -18 dB efficiency and 5 GHz bandwidth are demonstrated. A 4 Gbps non-return-to-zero (NRZ) optical data stream is shifted in wavelength and successfully recovered. This architecture accepts CMOS-level RF drive voltages and can be integrated in monolithic CMOS electronic-photonic platforms with a simple signal source circuit as part of a self-contained subsystem on chip that generates and carries out the wavelength conversion, requiring no high-frequency (optical or electrical) and high-power external pump input to the chip. This type of device may become a new standard element in the component libraries of silicon and CMOS photonics processes.

研究动机与目标

• 开发一种低功耗、片上光学波长转换器，用于硅光子学，避免依赖高功率光学泵浦。
• 通过使用耦合的有源微环谐振器，克服单腔调制器的效率滚降限制。
• 仅使用CMOS电平的射频驱动电压，实现高效率的双向波长转换（上转换和下转换）。
• 将波长转换功能单片集成于电子电路之上，实现单芯片自包含运行，无需外部高频或高功率输入。
• 为硅和CMOS光子工艺设计套件（PDK）建立新型器件，支持基于波分复用的信号处理。

提出的方法

• 该器件采用两个电驱动的耦合有源硅微环谐振器，构成具有对称和反对称超模态的光子分子。
• 通过24 GHz或56 GHz的射频信号进行电调制，实现超模态之间的频率转换，将输入信号移至新波长。
• 系统设计为输入信号激发一个超模态，而射频驱动将能量耦合至另一个超模态，从而实现高效波长转换。
• 理论建模采用耦合模态理论框架，预测转换效率，其响应类似于二阶频率转换滤波器。
• 转换器在-1.5 V直流偏置下工作，并使用峰值电压为4 V的射频信号在目标频率下驱动，以实现相位调制和共振调谐。
• 与CMOS电子电路的片上集成使得系统仅通过直流电源和片上射频信号生成即可实现自包含运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅光子学中，双有源腔光子分子结构能否在无需外部光学泵浦的情况下实现高效、低功耗的光学波长转换？
• RQ2 两个有源微环谐振器之间的耦合如何实现高效率、大带宽的双向波长转换？
• RQ3 通过使用CMOS兼容的射频驱动信号和片上信号生成，转换效率和带宽能在多大程度上得到提升？
• RQ4 此类器件能否与电子电路单片集成，形成仅使用单芯片、无需泵浦的自包含子系统？
• RQ5 该架构可实现的最大数据速率是多少？其性能受外部滤波和器件带宽限制的程度如何？

主要发现

• 器件在24 GHz波长偏移（±0.19 nm）下实现-13 dB的转换效率和6 GHz带宽，在56 GHz波长偏移（±0.45 nm）下实现-18 dB的转换效率和4.8 GHz带宽。
• 成功实现了4 Gbps非归零（NRZ）光信号的波长转换与信号恢复，眼图结果确认了信号完整性。
• 系统支持双向运行：在一个方向实现上转换，在相反方向实现下转换，且效率相等。
• 转换效率比单腔调制器高出15–50 dB，克服了光子寿命限制导致的效率滚降问题。
• 器件仅使用CMOS电平的射频驱动电压和直流电源运行，无需外部高频或高功率光学输入。
• 基于耦合模态理论的理论模型准确预测了实测的转换效率和响应形状，验证了设计方法的有效性。