[论文解读] Resonance-Free Light Recycling

You-Chia Chang, Samantha P. Roberts+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 7被引用 10

一句话总结

本文提出一种基于空间模复用的无共振光回收技术，用于硅光子学，以实现可扩展、低功耗的光相位移器。通过避免使用谐振结构，该方法实现了超过100 nm的光学带宽和每π相位移1.7 mW的功耗，与传统谐振方法相比功耗降低逾8倍，且具有显著提升的工艺容差（±15 nm）。

ABSTRACT

The inability to efficiently tune the optical properties of waveguiding structures has been one of the major hurdles for the future scalability of integrated photonic systems. In silicon photonics, although dynamic tuning has been achieved with various mechanisms, even the most effective thermo-optic effect offers a refractive index change of only $1.86 imes 10^{-4} K^{-1}$. To enhance this small change, light recycling based on resonators has been employed in order to realize efficient modulators, phase shifters, and optical switches. However, the resonant enhancement comes at a great cost of optical bandwidth, fabrication tolerance and system scalability. Here we demonstrate a scalable light recycling approach based on spatial-mode multiplexing. Our approach offers a fabrication tolerance of ${\pm}$ 15 nm, in stark contrast to the non-scalable subnanometer tolerance in typical silicon resonators. We experimentally demonstrate light recycling up to 7 passes with an optical bandwidth greater than 100 nm. We realize power-efficient thermo-optic phase shifters that require only 1.7 mW per $π$, representing more than an 8-fold reduction in the power consumption.

研究动机与目标

• 克服硅光子学中谐振光回收技术的局限性，该技术受限于窄带宽和严格的工艺容差。
• 解决硅波导中热光效应折射率调谐效率低的问题，该问题限制了功耗效率和可扩展性。
• 开发一种可扩展的谐振调制器和相位移器替代方案，保持高性能且不依赖光学谐振。
• 在保持高光程长度增强的同时实现高工艺容差，以实现高效的光回收。
• 在集成光子系统中实现一种实用、低功耗的解决方案，提升系统级可扩展性。

提出的方法

• 采用空间模复用技术，在不依赖谐振增强的前提下，实现多波导模式间的光路由与回收。
• 设计支持多空间模式的波导结构，通过受控耦合和相位匹配实现高效光回收。
• 利用热光调谐通过局部加热引入相位移，回收光路放大了单位功耗的有效相位移。
• 采用多程配置，使光在相位移区域最多通过7次，以增强有效相互作用长度。
• 优化波导几何形状和热隔离结构，以最小化串扰并最大化调谐效率。
• 采用非谐振、宽带设计，实现超过100 nm的光学带宽，支持在宽波长范围内工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以不依赖光学谐振实现光回收，以克服带宽和工艺容差的限制？
• RQ2 空间模复用在不引入谐振滤波的情况下，能在多大程度上增强硅波导中的有效相互作用长度？
• RQ3 基于非谐振光回收的相位移器与传统谐振设计相比，其功耗效率如何？
• RQ4 在非谐振光回收架构中，实现实际硅光子集成的最高工艺容差是多少？
• RQ5 能否在此方法基础上实现在真实集成光子平台中可扩展、宽带且低功耗的相位移器？

主要发现

• 所提出方法实现了7次光路回收，光学带宽超过100 nm，证明了其宽带工作能力。
• 系统展现出±15 nm的工艺容差，远优于谐振结构通常所需的亚纳米级容差。
• 热光相位移器每π相位移仅消耗1.7 mW，与传统谐振设计相比功耗降低逾8倍。
• 非谐振设计避免了谐振系统固有的窄线宽和对工艺偏差的敏感性，从而提升了系统可扩展性。
• 空间模复用方法无需使用高Q因子谐振器即可实现高效光回收，在宽波长范围内保持高性能。
• 实验验证确认了该方法在真实硅光子平台中的可行性与性能，实测显示功耗效率和鲁棒性均有显著提升。