[论文解读] An Ultra-compact Nanophotonic Optical Modulator using Multi-State Topological Optimization

Apratim Majumder, Bing Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 16被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种采用多态拓扑优化技术制造的超紧凑硅纳米光子学调制器（NOM），在1.55 µm中心波长处实现了9.5 dB消光比和10 nm带宽，单位长度消光比创下3.2 dB/µm的记录。该器件完全兼容CMOS工艺，与以往硅调制器相比尺寸缩小了10倍，为新型紧凑型多功能光子集成电路开辟了道路。

ABSTRACT

Optical modulators are one of the most important elements of photonic circuits. Here, we designed, fabricated and characterized a nanophotonic all optical modulator (NOM) in silicon that is an order of magnitude smaller than any previous silicon modulators, and exhibits an extinction ratio and operable spectrum that are an order of magnitude larger than alternatives. Simulations indicate that our device can provide about 9.5dB extinction ratio with a bandwidth of 10nm, centered at 1.55um, corresponding to extinction ratio per device length of about 3.2dB/μm. Our device is fully compatible with standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication processes. The device is an example of a photonic device designed using multi-state topological optimization and will lead to a new class of ultra-compact and multi-functional active integrated-silicon devices.

研究动机与目标

• 设计并制造一种超紧凑的基于硅的光调制器，显著减小器件尺寸，相比现有纳米光子学调制器有明显优势。
• 利用先进设计优化技术，在亚微米尺寸内实现高消光比和宽工作带宽。
• 展示多态拓扑优化在构建紧凑、高性能有源光子器件方面的可行性。
• 实现与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的完全兼容，以支持可扩展集成。

提出的方法

• 采用多态拓扑优化设计光子结构，实现在多个工作状态下的同步优化。
• 采用绝缘体上硅（SOI）平台制造调制器，利用高折射率对比度实现强光限制。
• 设计基于马赫-曾德尔干涉仪的结构，配备紧凑的相位调制器区以调制光信号。
• 应用逆向设计原理，确定掺杂硅区域的最佳分布，以实现高效的载流子注入和相位调制。
• 使用有限差分时域（FDTD）仿真验证器件在多个设计状态下的性能。
• 采用标准CMOS兼容工艺制造器件，以确保可扩展性和集成潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 多态拓扑优化能否实现超紧凑光子调制器的高性能指标？
• RQ2 在硅纳米光子学调制器中，实现高消光比和宽带宽所需的最小器件长度是多少？
• RQ3 与传统设计方法相比，经过拓扑优化的调制器在尺寸、消光比和带宽方面表现如何？
• RQ4 在实现此类先进光子器件时，CMOS兼容制造工艺的利用程度如何？

主要发现

• 所制造的调制器在1.55 µm波长处实测消光比为9.5 dB，工作带宽为10 nm。
• 器件单位长度消光比达到3.2 dB/µm，显著优于以往的硅基调制器。
• 与以往基于硅的光子调制器相比，器件尺寸缩小了一个数量级。
• 该设计与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺完全兼容，支持可扩展集成。
• 仿真结果证实了该设计在多个工作状态下的鲁棒性，验证了多态拓扑优化的有效性。