シミュレーションを使用したシリコン フォトニック MEMS 位相シフタの設計

現代のインターネットに接続された世界は有線であるとよく説明されますが、コア ネットワークのデータ トラフィックのほとんどは、実際には電線ではなく光ファイバーによって伝送されます。 それにもかかわらず、既存のインフラは依然として光ファイバー ネットワーク内に埋め込まれた多くの電気信号処理コンポーネントに依存しています。 これらのコンポーネントを光デバイスに置き換えると、ネットワークの速度、容量、信頼性が向上する可能性があります。 この新たなテクノロジー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、次世代の光学技術にとって不可欠な構成要素となる可能性のあるデバイスであるシリコンフォトニック位相シフターのプロトタイプを開発しました。ファイバーデータネットワーク。

フォトニックデバイスを使用してフォトニック信号を処理することは論理的であるように思えますが、なぜこのアプローチがまだ標準になっていないのでしょうか? 「とても良い質問ですが、実は答えるのが難しい質問です。」 現在、スイス電子マイクロテクノロジーセンター（CSEM）に勤務し、微小電気機械システム（MEMS）技術を中心としたフォトニック集積回路（PIC）を専門とするエンジニア、ハメド・サッタリ氏はこう語る。 Sattari 氏は、シリコン フォトニック位相シフタを開発した 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中で、Sattari 氏と彼の同僚たちは、新しく出現した製造技術を活用しています。 「10年前でさえ、これらの機器に使用する統合可動構造を確実に製造することはできませんでした」とサッタリ氏は言う。 「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実現可能になりつつあります。私たちの目標は、これらの能力を光ファイバーネットワークインフラストラクチャの変革にどのように使用できるかを実証することです。」

位相シフタ設計プロジェクトは、光ファイバ データ ネットワークおよび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 EPFL の広範な取り組みの一環です。 これらのデバイスにはスイッチが含まれます。 チップ対ファイバーグレーティングカプラー。 可変光減衰器 (VOA)。 光信号を変調する移相器。 「この用途向けの既存の光位相シフタは、かさばるか、信号損失が発生する傾向があります」とサッタリ氏は言う。 「私たちの優先事項は、より損失の少ない小型の移相器を作成し、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可能にすることです。可動導波路のMEMS作動により、小さな設置面積で低消費電力で光信号を変調できる可能性があります。」と彼は説明します。

MEMS 位相シフタは、光の速度を調整するという、一見単純そうに聞こえる目的を備えた洗練された機構です。 光の位相を変えることは光を遅くすることです。 光がデータ信号を運ぶとき、その速度の変化により信号も変化します。 これにより、位相の迅速かつ正確なシフトによって信号が変調され、ネットワーク全体での損失を最小限に抑えたデータ送信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化させるために、MEMS 機構はカプラーと呼ばれる半透明のシリコンをバスの近くに移動させます。

位相シフタの MEMS 機構の設計により、2 段階の動作が可能になります (図 1)。 第 1 段階では、カプラー導波管の単純なオン/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接続解除します。 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可動範囲が提供されます。 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かって動かすと、信号の位相が変わります」とサッタリ氏は説明します。 「カプラーは屈折率の高いシリコンでできています。この 2 つのコンポーネントが結合されると、バス内を移動する光波もカプラーを通過し、光の速度が遅くなります。」 カプラーとバスの光結合が慎重に制御されていない場合、光の波形が歪み、信号やデータが失われる可能性があります。

サッタリ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機構を設計することでした。 同社の移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対して 2 つの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引き起こすために、MEMS メカニズムにどのくらい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に不可欠なツールでした。 「電圧と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」とサッタリ氏は言います。 「光学モデリングには RF モジュールを、電気機械シミュレーションには構造力学モジュールを使用して、2 つの平行な円弧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が含まれており、その後信号伝播の研究が行われました。 「私たちの目標は、光が位相の望ましい変化だけを伴ってデバイスに出入りすることです」とサッタリ氏は言う。 「これを達成するために、COMSOL® でシステムの固有モードを決定できます。」

Sattari 氏は、シミュレーションによって導波路と作動機構の物理的形状を決定するだけでなく、繰り返しの動作によって生じる不要な変形や変位などの応力の影響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、シミュレーションで示された内容に基づいています」と彼は言います。

このプロジェクトの目標は、既存の製造能力を使用して MEMS 位相シフタをどのように製造できるか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な堅牢で信頼性の高い設計が実現し、占有面積はわずか 60 μm × 44 μm になります。 概念実証が確立された今、Sattari 氏と彼の同僚は、自分たちの設計が世界の光データ ネットワークに統合されることを楽しみにしています。 「私たちは将来に向けてビルディングブロックを作成しています。その可能性が現実になるのを見るのはやりがいのあることです」とサッタリ氏は言う。

この記事は、COMSOL の Alan Petrillo によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine の 2022 年 9 月号に初めて掲載されました。

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