[论文解读] Polymer-based Hybrid Integrated Photonic Devices for Silicon On-chip Modulation and Board-level Optical Interconnects

Xingyu Zhang, Amir Hosseini+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 49被引用 9

一句话总结

本文提出基于聚合物的混合集成光子器件，用于低成本、高带宽的片上调制和板级光互连。通过将电光聚合物与硅平台集成，并利用可卷对卷制造的工艺，实现了紧凑、低功耗的调制器以及具有高线性度和宽带操作的高效光互连。

ABSTRACT

The accelerating increase in information traffic demands the expansion of optical access network systems that require cost reduction of optical and photonic components. Low cost, ease of fabrication, and integration capabilities of low optical-loss polymers make them attractive for photonic applications. In addition to passive wave-guiding components, electro-optic (EO) polymers consisting of a polymeric matrix doped with organic nonlinear chromophores have enabled wide-RF-bandwidth and low-power optical modulators. Beside board level passive and active optical components, compact on-chip modulators (a few 100 micronmeters to a few millimeters) have been made possible by hybrid integration of EO polymers onto the silicon platform. This paper summarizes some of the recent progress in polymer based optical modulators and interconnects. A highly linear, broadband directional coupler modulator for use in analog optical links and compact, and low-power silicon/polymer hybrid slot photonic crystal waveguide modulators for on chip applications are presented. Recently, cost-effective roll-to-roll fabrication of electronic and photonic systems on flexible substrates has been gaining interest. A low-cost imprinted/ink-jet-printed Mach-Zehnder modulator and board-to-board optical interconnects using microlens integrated 45-degree mirror couplers compatible with the roll-to-roll fabrication platforms are also presented.

研究动机与目标

• 应对数据通信系统中对成本效益高、带宽高的光组件日益增长的需求。
• 通过利用低损耗、低成本的聚合物，克服传统III-V族和硅基光子组件的局限性。
• 通过将电光聚合物与硅波导混合集成，实现紧凑、低功耗的片上调制器。
• 开发与可扩展、低成本制造平台（如卷对卷制造）兼容的板级光互连。
• 通过基于聚合物的定向耦合器和光子晶体波导，推进模拟光链路和光子集成。

提出的方法

• 利用掺杂非线性染料的电光（EO）聚合物，实现在调制器中高射频带宽和低功耗运行。
• 实施将EO聚合物与硅平台的混合集成，结合硅波导的波导效率与聚合物的电光特性。
• 设计并制造用于片上应用的紧凑、低功耗硅/聚合物混合槽型光子晶体波导调制器。
• 采用压印和喷墨打印的聚合物技术开发马赫-曾德尔调制器，实现低成本、可扩展的生产。
• 集成微透镜辅助的45度镜面耦合器，实现高效的板对板光互连。
• 利用卷对卷制造技术，实现柔性基板上电子与光子系统的大规模、低成本生产。

实验结果

研究问题

• RQ1 当电光聚合物与硅平台混合集成时，是否能够实现高带宽、低功耗的片上光调制器？
• RQ2 如何优化基于聚合物的光子组件，以实现高效、低成本的板级光互连？
• RQ3 卷对卷制造技术在柔性基板上实现功能光子器件集成方面，其支持程度如何？
• RQ4 基于聚合物的定向耦合器调制器在模拟光链路中可实现多大的性能提升？
• RQ5 混合槽型光子晶体波导设计在紧凑片上调制器中如何提升电光效率？

主要发现

• 成功演示了一款高度线性、超宽带的定向耦合器调制器，适用于具有宽射频带宽的模拟光链路。
• 紧凑、低功耗的硅/聚合物混合槽型光子晶体波导调制器实现了高效片上调制，器件面积小于1毫米。
• 采用卷对卷兼容工艺，成功制造出低成本、压印/喷墨打印的马赫-曾德尔调制器。
• 集成微透镜的45度镜面耦合器实现了低耦合损耗的高效板对板光互连。
• 将EO聚合物与硅波导混合集成，实现了高速调制，同时降低了驱动电压和功耗。
• 卷对卷制造技术被验证可用于柔性基板上集成光子与电子系统的可扩展、低成本生产。