[论文解读] Electronic-photonic circuit crossings

Babak Vosoughi Lahijani, Marcus Albrechtsen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于拓扑优化的单层电子光子电路交叉（EPCC），在20 nm隔离间隙下实现99.8%的光学透射率，使电子、光子与纳米机械信号在单一层内完全集成，实现无损光路路由，突破了多层结构的先前限制，推动了量子光子学与片上光电子系统的发展。

ABSTRACT

Electrical control of light in integrated photonics is central to a wide range of research and applications. It is conventionally achieved with thermo-optic tuning, but this suffers from high energy consumption and crosstalk. Nanoelectromechanical photonics could resolve these issues, but integrating this technology with conventional multilayer metal architectures is challenging, and conventional approaches do not allow crossings of electrical wires and photonic waveguides. Here, we use topology optimization to devise a single-layer electronic-photonic circuit crossing with up to 99.8 % optical transmission across a 20 nm electrical isolation trench. We focus our experiments on 100 nm trenches and measure an average transmission of 92.9 % over a 100 nm bandwidth, in excellent agreement with theory. We use these concepts to demonstrate a monolithic silicon nanoelectromechanical add-drop switch in which the flow of photons, electrons, and mechanical motions are fully integrated within the same layer. Our work addresses an important challenge in incorporating opto-electro-mechanical topologies into photonic integrated circuits and may lead to new functionalities in nano-opto-electro-mechanical systems, optomechanics, and integrated quantum photonics.

研究动机与目标

• 通过在单一层内实现电子导线与光波导的直接交叉，克服集成芯片中电子与光子电路布线之间的根本不兼容性。
• 消除因电路规模增大而使制造复杂度超线性增长的多层结构需求。
• 通过逆向设计与拓扑优化，在单一层内同时实现高光学透射率与电气隔离。
• 展示一种单晶硅纳米机电下拉-下路开关，其中电子、光子与机械运动在一次光刻步骤中完全集成。
• 通过在根本层面上解决交叉问题，为纳米光电子机械系统（NOEMS）、量子光子学与光互连技术开辟新拓扑结构。

提出的方法

• 在绝缘体上硅（SOI）平台中，采用拓扑优化设计单层电子光子电路交叉（EPCC），器件层厚度为240 nm。
• 设计悬空硅桥，实现隔离沟槽两侧电流路径的电连接，同时保持光波导的光学连续性。
• 利用有限元仿真优化几何结构，以在1550 nm波长下实现最大透射率与最小反射率，重点降低光学损耗与串扰。
• 设计EPCC兼具电互连与光波导功能，隔离沟槽提供电气与热解耦。
• 通过数值仿真与实验表征验证设计，采用扫描电子显微镜与暗场成像对2×2电机械下拉-下路开关网络进行表征。
• 通过允许更小但可行的间隙，放宽带宽限制，实现数百个EPCC的可扩展集成，累计透射率每交叉点超过99.8%。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层集成器件能否在电子导线与光波导交叉处同时实现高光学透射率与电气隔离？
• RQ2 拓扑优化在无需多层制造的情况下，能在多大程度上实现电气与光子功能在单一层内的协同设计？
• RQ3 在保持电气隔离与机械顺应性的同时，电子-光子交叉处可实现的最大光学透射率是多少？
• RQ4 此类交叉结构能否实现纳米机电开关的单体集成，并实现对电子、光子与机械运动通路的完全控制？
• RQ5 EPCC在不同间隙尺寸下的性能表现如何？对复杂光电子机械电路的可扩展性有何影响？

主要发现

• 优化后的EPCC在1550 nm波长、20 nm隔离间隙下实现99.8%的峰值光学透射率，35 nm带宽内透射率保持在99%以上。
• 对于100 nm间隙，透射率为99.6%；对于60 nm间隙，透射率达99.7%，表明透射率随间隙减小而提升的显著趋势。
• 实验测得的透射谱与数值仿真高度一致，证实了逆向设计方法的鲁棒性与准确性。
• 单体2×2下拉-下路开关表现出清晰的电压控制开关行为，直通端口与下路端口的透射率随驱动电压可预测地变化。
• N个此类EPCC的累积透射率按T^N缩放，表明数百个交叉点的集成可使插入损耗低于3 dB，支持复杂低损电路的实现。
• EPCC设计可扩展至其他半导体平台（如GaAs与InP），实现对集成光子电路中量子发射器的独立电气控制。