[论文解读] Controlling evanescent waves on-chip using all-dielectric metamaterials for dense photonic integration

Saman Jahani, Sangsik Kim+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 2

一句话总结

本文提出在芯片上使用全介质各向异性超材料来调控硅光子电路中的倏逝波，通过工程化全内反射实现其衰减长度的缩短。该方法实现了超过30倍的串串扰降低和3倍的弯曲损耗降低，同时仅具有3.67 dB/cm的传播损耗，从而实现了CMOS平台上更密集的光子集成。

ABSTRACT

Miniaturization of optical components with low power consumption fabricated using a CMOS foundry process can pave the way for dense photonic integrated circuits within nanoelectronic platforms. However, the large spatial extent of evanescent light waves generated during nanoscale light confinement are ubiquitous in silicon photonic devices and are the stumbling roadblock to miniaturization. Here, we demonstrate the control of evanescent waves using all-dielectric metamaterials on a chip. We demonstrate that anisotropic metamaterials open a new degree of freedom in total internal reflection (TIR) to reduce the decay length of evanescent waves. This counterintuitive approach uses optical devices which can have a cladding with a higher average index than the core and marks a departure from interference based confinement as in photonic crystal waveguides or slot waveguides which utilize nanoscale field enhancement. We experimentally show that all-dielectric anisotropic metamaterials can help to reduce the cross-talk more than 30 times and bending loss more than 3 times in ultra-compact photonic circuits, two major attributes that limit the integration density in photonic circuits. We verify our all-dielectric metamaterial platform fabricated on a scalable process with a relatively negligible propagation loss of 3.67 dB/cm paving the way to impact future device designs for dense photonic integration

研究动机与目标

• 解决长程倏逝波限制硅光子集成电路上小型化的问题。
• 克服紧凑光子器件中强光约束与高串串扰之间的根本性权衡。
• 开发一种基于全介质超材料的CMOS兼容平台，用于高密度光子集成。
• 通过介质材料中的各向异性折射率工程，实现全内反射的新自由度。
• 展示一种可扩展的解决方案，具有低传播损耗和增强的光场约束，适用于实际片上应用。

提出的方法

• 设计并制造全介质各向异性超材料，其包层材料的平均折射率高于波导芯层，与传统波导设计相反。
• 通过工程化超材料的有效光学特性，调控全内反射过程中倏逝波的衰减长度。
• 采用CMOS兼容的制造工艺，实现在纳米电子平台上的可扩展集成。
• 采用一种超材料结构，实现对光的亚波长控制，且不依赖于光子晶体或槽波导中的基于干涉的机制。
• 优化各向异性介质结构，在最小化传播损耗的同时最大化倏逝波抑制。
• 通过实验表征超紧凑波导电路中的串串扰和弯曲损耗，验证设计性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 各向异性全介质超材料是否能够超越传统方法，显著缩短硅光子波导中倏逝波的衰减长度？
• RQ2 与芯层相比，包层平均折射率更高如何影响全内反射和倏逝场约束？
• RQ3 通过超材料工程，能在多大程度上降低超紧凑光子电路中的串串扰和弯曲损耗？
• RQ4 CMOS兼容的全介质平台是否能够在实现低传播损耗的同时，实现强倏逝波控制？
• RQ5 该方法是否为密集光子集成的波导设计引入了新的自由度？

主要发现

• 全介质各向异性超材料平台将串串扰降低了超过30倍，相比传统波导。
• 采用所提出的超材料设计，超紧凑光子电路中的弯曲损耗降低了超过3倍。
• 所制造的平台表现出3.67 dB/cm的低传播损耗，支持片上集成的实际可扩展性。
• 超材料方法实现了对倏逝波的有效控制，且不依赖于纳米尺度场增强或基于干涉的约束机制。
• 该设计打破了传统波导中要求包层折射率低于芯层的约束，为波导工程开辟了新可能。
• 该方法与标准CMOS制造工艺兼容，支持未来在纳米电子平台上的高密度光子集成。