[论文解读] New silicon photonics integration platform enabled by novel micron-scale bends

Matteo Cherchi, Sami Ylinen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2013

Photonic and Optical Devices参考文献 28被引用 73

一句话总结

本文提出一种新型硅光子学平台，采用微米尺度波导并引入工程化欧拉螺旋弯折结构，实现弯曲半径小于10 µm且传播损耗低于0.02 dB/90°的超低损耗。通过将单模条形波导局部转换为高对比度多模条形波导，该方法在保持单模工作状态和与标准制造工艺及光纤耦合兼容性的同时，实现了高密度集成。

ABSTRACT

Even though submicron silicon waveguides have been proposed for dense integration of photonic devices, to date the lightwave circuits on the market mainly rely on waveguides with micron-scale core dimensions. These larger waveguides feature easier fabrication, higher reliability and better interfacing to optical fibres. Single-mode operation with large core dimensions is obtained with low lateral refractive index contrast. Hence, the main limitation in increasing the level of integration and in reducing the cost of micron-scale waveguide circuits is their mm- to cm-scale minimum bending radius. Fortunately, single-mode rib waveguides with a micron-scale silicon core can be locally transformed into multi-mode strip waveguides that have very high lateral index contrast. Here we show how Euler spiral bends realized with these waveguides can have bending radii below 10 μm and losses below 0.02 dB/90° for the fundamental mode, paving way for a novel densely integrated platform based on micron-scale waveguides.

研究动机与目标

• 解决现有微米尺度硅波导电路中弯曲半径过大（毫米至厘米级）的局限性，该问题阻碍了高密度光子集成。
• 克服传统微米尺度波导在可制造性、光纤耦合与集成密度之间存在的权衡问题。
• 通过实现小于10 µm的弯曲半径，在不损害单模工作状态或增加损耗的前提下，实现高密度光子集成。
• 开发一种与标准制造工艺和光学纤维耦合兼容的实用化平台，区别于亚微米波导的替代方案。
• 利用多模条形波导中的高横向折射率对比度，实现紧凑、低损耗的弯折结构，同时在主电路路径中保持单模行为。

提出的方法

• 采用具有微米尺度硅芯的单模条形波导，以确保与标准制造工艺和光纤耦合的兼容性。
• 在局部将条形波导转换为具有高横向折射率对比度的多模条形波导，以实现紧凑弯折。
• 在高对比度多模区域中采用欧拉螺旋弯折结构，以最小化急转弯时的辐射损耗。
• 设计条形波导与条形波导几何结构之间的过渡区，以在主传播路径中保持单模工作状态。
• 通过数值模拟优化波导截面形状与弯折轮廓，以实现低损耗与高模场限制。
• 通过全矢量模场分析与主模在弯折结构中的传播损耗计算，验证设计性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 微米尺度硅波导能否在保持单模工作状态与低传播损耗的前提下，实现小于10 µm的弯曲半径？
• RQ2 将条形波导转换为高对比度多模条形波导，如何实现更小的弯折半径并降低辐射损耗？
• RQ3 在该结构中，利用欧拉螺旋弯折，单模基模的最小可实现弯曲半径及其对应损耗是多少？
• RQ4 该方法在不牺牲可制造性或光纤耦合能力的前提下，能在多大程度上提升集成密度？
• RQ5 条形波导与条形波导区段之间的过渡区是否可设计为在主电路路径中保持单模行为？

主要发现

• 在工程化高对比度多模条形波导区域中，采用欧拉螺旋弯折可实现小于10 µm的弯曲半径。
• 基模的传播损耗低于0.02 dB/90°，显著降低了辐射损耗。
• 该平台在主条形波导路径中保持单模工作状态，同时在过渡区域实现紧凑弯折。
• 该方法通过使用标准微米尺度波导实现了高密度光子集成，且与现有制造工艺兼容。
• 由于芯区尺寸较大且模场失配较低，该设计支持与光学纤维的实际集成。
• 该方法克服了传统微米尺度波导电路中毫米至厘米级弯曲半径的主要限制。