Hybrid silicon-plasmonics: efficient waveguide interfacing for low-loss integrated switching components

Abstract

We present a thorough numerical investigation of end-fire coupling between dielectric-loaded surface plasmon polariton (DLSPP) and compact rib/wire silicon-on-insulator (SOI) waveguides. Simulations are based on the three-dimensional vector finite element method. The interface geometrical parameters leading to optimum performance, i.e., maximum coupling efficiency or, equivalently, minimum insertion loss (IL), are identified. We show that coupling efficiencies as high as 85 % are possible. In addition, we quantify the fabrication tolerances about the optimum parameter values. In the same context, we assess the effect of a metallic stripe gap and that of a horizontal offset between waveguides on insertion loss. Finally, we demonstrate that by benefiting form the low-loss coupling between the two waveguides, hybrid silicon-plasmonic 2 × 2 thermo-optic switching elements can outperform their all-plasmonic counterparts in terms of IL. Specifically, we examine two hybrid SOI-DLSPP switching elements, namely, a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) and a Multi-Mode-Interference (MMI) switch. In particular, in the MZI case the IL improvement compared to the all-plasmonic counterpart is 4.5 dB. Moreover, the proposed hybrid components maintain the high extinction ratio, small footprint, and efficient tuning traits of plasmonic technology.

Φωτονικές Διατάξεις Επιφανειακών Πλασμονικών Κυμάτων Σε Κλίμακα Μικρότερη Του Μήκους Κύματος

“…Στην περίπτωση που η διασύνδεσή των επιμέρους στοιχείων γινόταν με τον ίδιο τον πλασμονικό κυματοδηγό οι συνολικές απώλειες εισαγωγής θα ήταν αποτρεπτικές. Εναλλακτικά, η υβριδοποίηση μπορεί να γίνει και σε επίπεδο εξαρτήματος (component level), με σκοπό και πάλι τη μείωση των απωλειών εισαγωγής [129,134,300]. Στην περίπτωση αυτή, ο πλασμονικός κυματοδηγός χρησιμοποιείται μόνον στο τμήμα του εξαρτήματος που ελέγχεται θερμο-οπτικά και το υπόλοιπο εξάρτημα κατασκευάζεται από SOI κυματοδηγό χαμηλών απωλειών.…”

Ανάλυση, Σχεδίαση Και Χαρακτηρισμός Ολοκληρωμένων Φωτονικών Διατάξεων Υβριδικής Τεχνολογίας Αγωγού - Διηλεκτρικού - Πυριτίου

“…Ο χαρακτηρισμός «υβριδική» μπορεί να αναφέρεται σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Στην πρώτη, διακριτά εξαρτήματα αμιγώς πυριτίου (για παράδειγμα SOI κυματοδηγοί) συνυπάρχουν στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα με εξαρτήματα αμιγώς πλασμονικά (για παράδειγμα SPP κυματοδηγοί ταινίας, διακένου ή διηλεκτρικής φόρτισης) και τότε το κύκλωμα χαρακτηρίζεται ως υβριδικό [128]. Στη δεύτερη περίπτωση, οι διατάξεις οδήγησης του ολοκληρωμένου κυκλώματος συνδυάζουν χαρακτηριστικά συμβατικών διηλεκτρικών και πλασμονικών κυματοδηγών και οι ίδιοι οι κυματοδηγοί χαρακτηρίζονται ως υβριδικοί [129].…”

“…Τα σχετικά αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχ. 4.11 [128], όπου οι συνεχείς και οι διακεκομμένες καμπύλες αντιστοιχούν στους κυματοδηγούς Si-wire και Si-rib, αντίστοιχα. Επίσης, σε κάθε καμπύλη σημειώνεται και η αντίστοιχη τάξη διαίρεσης, που δίνεται ποιοτικά από τον ακέραιο m της σχέσης L P = mL c − 0.5L c , όπου L c είναι το μήκος σύζευξης του ζεύκτη παράλληλων κυματοδηγών, Εξ.…”

“…4.9(a). ΄Εχει επιβεβαιωθεί[128,136] πως με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων των κυματοδηγών στις δύο πλευρές αυτής της διεπιφάνειας μετάβασης, μπορούν να επιτευχθούν απώλειες εισαγωγής μικρότερες του 1 dB (85%), και ιδιαίτερα μικρές ανακλάσεις. Για τον ονομαστικό DLSPP κυματοδηγό που χρησιμοποιούμε, υπολογίστηκε πως το βέλτιστο εγκάρσιο πλάτος του κυματοδηγού πυριτίου (τυποποιημένου πάχους 340 nm) είναι W Si = 170 ή 180 nm για τους τύπους 7 Si-wire ή Si-rib, αντίστοιχα.…”