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Jul 07, 2023

再構成可能なファイバー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7252 (2022) この記事を引用 2584 アクセス数 2 引用数 1 オルトメトリック メトリクスの詳細 シリコン フォトニクスでは、グレーティング支援のファイバ対導波路結合器

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7252 (2022) この記事を引用

2584 アクセス

2 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

シリコンフォトニクスでは、グレーティングを利用したファイバと導波路の結合器が面外結合を提供し、ウェハレベルのテストを容易にします。 ただし、帯域幅と効率が限られているため、ブロードバンド アプリケーションでの使用は制限されます。 あるいは、エンドファイアカプラはこれらの制約を克服しますが、使用前にダイシングプロセスを必要とするため、ウェハレベルのテストには適していません。 このトレードオフに対処するために、再構成可能なファイバ対導波路結合モジュールが提案され、同じフォトニック回路内でグレーティング支援結合とエンドファイア結合の両方を可能にするように設計されています。 提案されたモジュールは、相変化材料の薄層を組み込んだ切り替え可能な方向性結合器を配備します。その状態は最初は結合器を活性化させるためにアモルファスであるため、ウェーハレベルのテストでの回折格子支援結合が容易になります。 この状態は、方向性結合器を非活性化するための低温アニーリングプロセスを通じて結晶質に変化させることができ、これにより、エンドファイア結合器を介した広帯域チップレベル結合が容易になる。 接続された切り替え可能な方向性結合器、グレーティングおよびエンドファイア結合器を含むすべてのコンポーネントは、厳密なシミュレーションを通じて個別に設計されました。 その後、それらは提案された再構成可能な結合モジュールを確立するために組み立てられ、選択的結合動作を検証するためにシミュレーションおよび分析されました。 提案されたモジュールは、グレーティング支援入力またはエンドファイア入力下で動作する場合、C バンド全体で 1.2 dB 未満の低い過剰損失と 13 dB を超える高い消光比を実現します。 提案された再構成可能な結合モジュールは、ウェーハスケールでの集積フォトニック回路の検査を柔軟に迅速化するための実用的なソリューションとなることが期待されています。

量子コンピューティング、ビームステアリング、光通信、その他多くのアプリケーション用のフォトニック集積回路 (PIC) は、ここ 10 年間にわたって広範囲に研究および開発されてきました 1、2、3、4、5、6。 フォトニック回路の実際の検査と動作の観点から、グレーティングアシストカプラ (GAC) とスポットサイズコンバータ (SSC) に基づくエンドファイアカプラが主にファイバ対導波路の一般的に推奨される方式とみなされます。光結合7、8、9、10、11、12。 GAC は主に面外カップリングに適しているのに対し、SSC は面内エンドファイアカップリングに適しています 7,8。 ウェーハレベルのテストは、GAC の助けを借りてのみ可能であり、製造中に最高の PIC 歩留まりを保証するために不可欠です。 ただし、GAC の場合、帯域幅が制限され、結合効率が低く、偏波に対する感度が高いため、GAC はあまり望ましくありません 7,9。 一方、SSC は優れた結合効率、より広い帯域幅、より優れた偏波耐性をもたらします 7,13 が、必然的にチップのダイシング/研磨という追加のプロセスが必要になります。 したがって、ウェハレベルのテストには適していません。 高度に集積化されたフォトニックチップに対する需要が急増し、フォトニックウェーハのサイズが急速に増大することにより、当然のことながら、チップ開発プロセスを迅速化するためにウェーハレベルのテストが不可欠なものとなっています。 これに関連して、GAC と SSC のどちらを選択するかによって、製造品質と PIC の使いやすさとの間のトレードオフが生じます。 したがって、両方のカプラを同じ回路に組み込む方法は、より優れた製造品質と幅広い適用性を実現するために非常に有益です。

過去数十年にわたり、エンドファイアとグレーティングカプラーに関するいくつかの研究が別々に実施されてきました。 しかし、私たちの知る限り、エンドファイアカプラを使用する面内結合と、同じ回路内で GAC を利用する面外結合の両方に対応できる統合カプラについて議論した研究は報告されていません。 GACとSSCを同時に同じ回路に組み込むには、入力と出力を切り替える機構が必要です。 熱光学効果や電気光学効果に依存する一般的に入手可能な光スイッチを使用することは、その動作のために電力の継続的な供給が必要となるため、現実的ではありません。 光相変化材料 (PCM) の出現により、連続電源なしでも不揮発性スイッチングを実行できるようになりました 14、15、16、17、18。 PCM の採用により、GAC と SSC を同時に 1 つの回路に統合することが可能になり、それによってウエハーレベルとチップレベルの両方の光結合が可能になります。 Y. Zhang グループによって報告された研究では、ウエハレベルのテストでの応用が考えられる、導波管からの光のごく一部を取り出すことができる過渡タップカプラが実証されましたが、PCM の状態を調整することで無効にすることができます。 ただし、光のごく一部のみを取り出すことに限定されており、回路の本格的なウエハレベルのテストは容易にはなりません。 入出力電力の一部ではなく、その電力を扱うことができるフルスケールの特性評価は、ウェハレベルのテストを最大限に活用するために不可欠です。 これに関連して、生産中の PIC の迅速かつ柔軟な検査を実行するために、フルスケールのウエハレベルとチップスケールの両方のテストを提供する再構成可能な結合スキームが強く求められています。