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シミュレーションによるシリコンフォトニック MEMS 移相器の設計

インターネットのバックボーンを構成する光ファイバーネットワークは, 多くの電気信号処理デバイスに依存しています. フェイズシフターなどのナノスケールのシリコンフォトニックネットワークコンポーネントは, 光ネットワークの速度, 容量, 信頼性を高めることができます. スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL) の研究チームは, 小型で強力なデバイスを設計するために, シミュレーションを使用して光学的性能と電気機械的性能の両方を最適化しました.


Alan Petrillo 著
2021年12月

インターネットに接続された現代社会は, しばしば有線と表現されますが, 実はコアネットワークのデータトラフィックのほとんどは, 電線ではなく, 光ファイバーによって運ばれているのです. にもかかわらず, 既存のインフラは, 光ファイバーネットワーク内に埋め込まれた多くの電気信号処理部品に依存しています. これらの部品をフォトニックデバイスに置き換えることで, ネットワークの速度, 容量, 信頼性を向上させることができます. この新しい技術の可能性を実現するために, スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL) の多国籍チームは, 次世代の光ファイバーデータネットワークに不可欠な構成要素となり得るシリコンフォトニックフェイズシフターのプロトタイプを開発しました.

全光ネットワークへの道筋をつける

フォトニック信号を処理するためにフォトニックデバイスを使用することは論理的であるように思われますが, なぜこのアプローチはまだ標準ではないのですか? 「非常に良い質問ですが, 実際には答えるのが難しい質問です!」 スイス電子工学, マイクロテクノロジーセンター (CSEM) のエンジニアで, 微小電気機械システム (MEMS) 技術に焦点を当てたフォトニック集積回路 (PIC) を専門とするエンジニアであるHamed Sattari 氏は言います. Sattari 氏は, シリコンフォトニック移相器を開発した EPFL フォトニクスチームの主要メンバーでした. 光信号処理への MEMS ベースのアプローチを追求する際に, Sattari 氏と彼の同僚は, 新しく出現した製造技術を活用しています. 「10年前でも, これらのデバイスで使用するための統合された可動構造を確実に製造することはできませんでした」 と Sattari 氏は言います. 「現在, シリコンフォトニクスと MEMS は, マイクロエレクトロニクス業界の現在の製造能力でより実現可能になっています. 私たちの目標は, これらの機能を使用して光ファイバーネットワークのインフラをどのように変革できるかを実証することです」.

この位相シフターの設計プロジェクトは, 光ファイバーデータネットワークや宇宙アプリケーション向けのプログラム可能なフォトニックコンポーネントを開発するための EPFL の幅広い取り組みの一環です. これらのデバイスには, スイッチ, チップ-ファイバグレーティングカプラ, 可変光減衰器 (VOA), 光信号を変調する位相シフターが含まれます. 「この用途の既存の光位相シフターは, かさばるか, 信号の損失に悩まされる傾向があります」 と Sattari 氏は述べています.「私たちは, より小型で低損失の移相器を開発し, 多くのネットワークアプリケーションで使用できるように拡張性を持たせることを優先しています」 と Sattari 氏は語ります. 「可動導波路を MEMS で作動させれば, 小さなフットプリントで低消費電力の光信号を変調させることができるのです」 と説明しています.

可動導波路が光信号の変調にどのように役立つか

MEMS 移相器は, 一見シンプルなサウンドの目的を持つ洗練されたメカニズムです. 光の速度を調整します. 光の位相を変えることはそれを遅くすることです. 光がデータ信号を運んでいるとき, その速度の変化は信号の変化を引き起こします. これにより, 位相の迅速かつ正確なシフトにより信号が変調され, ネットワーク全体での損失を最小限に抑えたデータ伝送がサポートされます. 光ファイバー導体またはバス導波路を通過する光の位相を変更するために, MEMS メカニズムはカプラーと呼ばれる半透明のシリコン片をバスのすぐ近くに移動させます.

図1. 位相器の MEMS メカニズムの2段階の運動.

位相器の MEMS メカニズムの設計は, 2段階の動作が可能な設計となっています (図1). 最初のステージは, カプラー導波路の単純なオン/オフ動作を提供し, それによってカプラーをバスに接続または切断します. カプラーが接続されると, 第2ステージによってより細かい範囲の動きが提供されます. これにより, カプラーとバス間のギャップの調整が可能になり, 光信号の位相変化を正確に変調できます.「カプラーをバスに向けて動かすと, 信号の位相が変わります」 と Sattari 氏は説明します. 「カプラーは高屈折率のシリコンでできています. 2つの部品が結合されると, バスを通過する光波もカプラーを通過し, 波は減速します」 カプラーとバスの光結合を注意深く制御しないと, 光の波形が歪んで, 信号とデータが失われる可能性があります.

光学的および電気機械的シミュレーションによるナノスケールでの設計

Sattari 氏と彼のチームにとっての課題は, 結合プロセスを可能な限り正確かつ確実に制御するためのナノスケールメカニズムを設計することでした. 彼らの位相器は電流を使用して光学素子を物理的に動かすため, Sattari 氏と EPFL チームはデバイスの設計に2トラックアプローチを採用しました. 彼らの目標は, フォトニック信号に望ましいシフトを誘発するために, MEMS メカニズムにどれだけの電圧を印加する必要があるかを決定することでした. シミュレーションは, 電圧と位相の関係を確立する複数の値を決定するための重要なツールでした. 「電圧対位相は複雑なマルチフィジックスの問題です. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアは, この大きな問題をより小さなタスクに分割するための多くのオプションを提供してくれました」 と Sattari 氏は言います. 「光学モデリング用の RF モジュールと電気機械シミュレーション用の構造力学モジュールを使用して, 2つの平行なアークでシミュレーションを実行しました」.

光学モデリング (図2) には, 結合された導波路要素の実効屈折率を決定するモード解析と, それに続く信号伝搬の解析が含まれていました. 「私たちの目標は, 光がデバイスに出入りすることであり, そのフェーズで必要な変更を加えるだけです」 と Sattari 氏は言います. 「これを実現するために, COMSOL® でシステムの固有モードを決定できます」.

図2. 左: 光は, 光バスと結合された可動導波路で構成されるパスを左から右に通過します. 右: 結合されたデバイスを通過するときのシミュレートされた光波形の断面スライス. シミュレーションで2つの光要素間の距離を調整することにより, EPFL チームは, その距離が光信号の速度または位相にどのように影響するかを判断できます. 画像は EPFL の厚意により提供され, CC BY 4.0でライセンスされています.
図3. 可動導波路支持構造の変形を示すシミュレーション. 可動導波管を吊るす薄い要素は, 印加された電圧に応じて曲がります. 画像提供: EPFL, CC BY 4.0でライセンス供与.
図4. 光シミュレーション (左) は, 光信号に望ましい位相シフトをもたらすカプラーと導波路の間の垂直距離を確立しました. 電気機械シミュレーション (右) は, MEMS メカニズムに印加されたときに, カプラー導波路をバスから目的の距離まで移動させる電圧を決定しました. 画像は EPFL の厚意により提供され, CC BY 4.0でライセンスされています.

導波管の物理的形状と作動メカニズムを決定することに加えて, シミュレーションにより, Sattari 氏は, 繰り返しの操作によって引き起こされる不要な変形や変位などの応力効果を研究することもできました. 「設計に関するすべての決定は, シミュレーションが示したものに基づいています」 と彼は言います.

未来のフォトニックネットワークの基盤に貢献

このプロジェクトの目的は, 既存の製造能力で MEMS 位相器を製造する方法を実証することでした. その結果, 既存の表面微細加工製造プロセスで実現可能で, 60 μm × 44 μm のフットプリントしかない, 堅牢で信頼性の高い設計が実現されました. Sattari 氏と彼の同僚は, コンセプトの実証ができたので, この設計が世界の光データネットワークに組み込まれることを期待しています. 「私たちは未来のためのビルディングブロックを作っているのです. その可能性が現実のものとなるのを見るのは, やりがいがあります」 と Sattari 氏は言います.

参考文献

  1. H. Sattari et al., "Silicon Photonic MEMS Phase-Shifter," Optics Express, vol. 27, no. 13, pp. 18959–18969, 2019.
  2. T.J. Seok et al., "Large-scale broadband digital silicon photonic switches with vertical adiabatic couplers," Optica, vol. 3, no. 1, pp. 64–70, 2016.