Title: Programmable photonic arrays based on microelectromechanical elements with femtowatt-level standby power consumption

Abstract: Programmable photonic integrated circuits offer exciting opportunities for optoelectronic signal processing, computing and communications in a number of emerging applications in classical and quantum photonics. In this work, we show the array-level demonstration of tunable couplers and phase shifters with capacitive electrostatic microelectromechanical actuators in a recirculating mesh network. The overall fabrication process is compatible with the conventional wafer-level passive silicon photonics platform. Extremely low unit-level standby power consumption of <10 femtowatts and reconfiguration energy of <40 picojoules with <11 V programming voltages offer well-balanced, scalable routes for efficient phase and amplitude modulation of the guided lightwaves with sub-decibel optical losses. The extinction ratios of the continuously tunable directional coupler exceed 30 dB. Full 2π-phase shifting can be achieved with a modulation efficiency of less than 0.075 V cm and a phase-dependent insertion-loss variation of 0.01 dB.

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Press coverage:

Phys.org article on our work can be found below.

Key innovation in photonic components could transform supercomputing technology

It is also featured in KAIST Breakthroughs.

https://breakthroughs.kaist.ac.kr/sub02/view/id/503

국문 요약: 프로그래밍 가능한 광집적회로 (programmable photonic integrated circuit)는 광전자 신호 처리, 컴퓨팅, 통신을 비롯한 고전/양자 광학 분야에서 다양하게 응용될 수 있습니다. 본 연구에서는 정전용량식 미세전자기계(MicroElectroMechanical Systems, MEMS) 구동기를 사용하여 재구성이 가능한 광학 커플러 (optical coupler)와 위상 변환기(phase shifter)를 재순환 메시 네트워크 (recirculating mesh network)에서 구현하였습니다. 특히, 전체 제작 공정이 기존의 웨이퍼 수준 실리콘 포토닉스 플랫폼과 호환되는 것이 특징이라고 할 수 있습니다. MEMS 광집적 단위 소자의 대기 전력 소비량은 10 fW 미만으로 매우 낮고, 에너지 소모량 역시 40 pJ 미만에 불과합니다. 연속적으로 조절 가능한 광학 커플러의 소광비는 30 dB 이상이었며, 위상 변조기는 0.075 V·cm의 변조 효율과 0.01 dB 수준의 위상 의존 삽입 손실로 >2π 위상 변화 달성이 가능함을 실험적으로 확인하였습니다.