低損失、大帯域幅、大モードフィールド径のヘテロジニアスチップ集積用マルチチップエッジカプラー

科学分野:

• フォトニクスおよび光学工学
• 材料科学および工学
• 半導体デバイス物理学

背景:

• 広帯域幅、大モードフィールド径（MFD）レーザーゲインチップとシリコンフォトニックチップとの集積は、高い結合損失のため課題となっている。
• 既存のエッジカプラーは、単一モードまたは小MFDデバイス用に最適化されていることが多く、大MFDレーザーへの応用が制限されている。

研究 の 目的:

• 広帯域幅、大モードフィールド径（MFD）レーザーチップとシリコンベースのフォトニックチップとの効率的なヘテロジニアス集積のため、新しい4セグメントマルチチップエッジカプラー（FS-MTEC）を提案し実証すること。
• 大MFDレーザーチップに対する高い結合効率と低損失を達成し、現在の集積における限界を克服すること。

主な方法:

• FS-MTECの設計には、Si3N4-on-insulator（SINOI）プラットフォームを利用した。
• 結合端にはマルチチップアレイ構造を採用し、モードフィールド分布を調整した。
• 3セグメントテーパー導波路遷移部を設計し、モード摂動と回折を抑制した。
• 最適化と性能解析のため、3次元有限差分時間領域（3D-FDTD）シミュレーションを実施した。
• 製造許容度とモンテカルロ解析により、デバイスの堅牢性を評価した。

主要な成果:

• レーザーゲインチップ（50 µm × 2.5 µm楕円MFD）とのモードオーバーラップ効率95%を達成した。
• 1550 nmにおいて、TEモードおよびTMモードの結合効率はそれぞれ88%、92%とシミュレーションされた。
• 結果として得られた結合損失は、0.56 dB（TE）および0.40 dB（TM）であり、単一モードカプラーに匹敵する。
• OバンドからLバンドまでの超広帯域動作（1 dB未満の損失）を実証した。
• 高い水平位置ずれ許容度（≤1 dB過剰損失で±8.5 µm）を示した。
• 製造許容度とモンテカルロ解析により、デバイスの堅牢性が確認された。

結論:

• 提案されたFS-MTECは、広帯域幅、大MFDレーザーチップとシリコンフォトニクスとの集積における高結合損失の問題を効果的に解決する。
• このデバイスは、優れた結合性能、超広帯域動作、および堅牢性を提供し、ヘテロジニアスチップ集積に適している。
• 本研究は、高度なフォトニックチップ集積のための有望な新しい戦略を提示し、大MFDレーザーのより広範な応用を可能にする。