マルチモード干渉に基づくフォトニック結晶マッハツェンダー干渉計（DE）インターリーバーの概念設計
研究背景と問題提起
現代の光通信技術の急速な発展に伴い、波長分割多重（WDM）システムは高容量で多機能な光学ネットワークを実現する上で中核的な役割を果たしています。(解)インターリーバーは、波長解復用構造の主要コンポーネントとして、複数の波長信号を効率的に分離し、ネットワーク設計においてより大きな柔軟性や高いチャネル数のサポートを提供します。しかし、従来のマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）の設計には、入力および出力カプラに関連する顕著な欠点があり、特にカプラ構造が波長に強く依存しているため性能が制限されています。さらに、平坦な伝送スペクトルと低クロストークを実現することは現在の研究における重要な課題です。
これらの問題に対処するため、イランのシャヒード・ベヘシュティ大学（Shahid Beheshti University）の研究チームは、マルチモード干渉（Multimode Interference, MMI）に基づく新しいフォトニック結晶マッハツェンダー干渉計（Photonic Crystal Mach-Zehnder Interferometer, PC-MZI）設計を提案しました。本研究は、PC-MZIの構造設計を最適化することで、従来のMZIの入力/出力カプラの限界を克服し、高密度波長分割多重（DWDM）および粗波長分割多重（CWDM）ネットワークに適用可能な高性能(解)インターリーバーを開発することを目指しています。
論文の出典
この論文はMasoud KamranとKambiz Abediによって共同執筆され、両名ともシャヒード・ベヘシュティ大学電気工学科に所属しています。論文は2024年6月10日に提出され、2024年12月29日に受理され、『Optical and Quantum Electronics』誌に掲載予定で、記事番号は57:162、DOIは10.1007/s11082-024-08021-yです。
研究の詳細と作業フロー
a) 研究フローと方法
1. 設計目標と基本原理
本研究の主な目標は、平坦な通過帯域応答、急峻なスペクトルエッジ、低電力損失、低クロストークを実現するMMIに基づくPC-MZI (解)インターリーバーを設計することです。研究は主に二つの部分に分かれています。第一の部分では、Y字型スプリッタ入力とMMI出力を備えたPC-MZI (解)インターリーバーを設計しました。第二の部分では、この設計を拡張し、入力/出力MMIを備えたPC-MZI (解)インターリーバーを提案しました。
2. 構造設計とパラメータ最適化
研究者たちは、空気中のシリコン円柱誘電棒からなる2次元フォトニック結晶（Photonic Crystal, PC）構造を採用しました。誘電棒の誘電率はεrods = 11.85、半径はrd = 0.16a（aは格子定数）です。特定の波長範囲での動作を実現するために、研究ではa/λ0 = 0.42の動作点を選択し、これに対応する格子定数はa = 0.65 µm、誘電棒の半径は108 nmです。
研究では有限差分時間領域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）を使用してシミュレーション解析を行い、TE偏光の振る舞いに焦点を当てました。シミュレーション領域には連続波光源を使用し、入力信号はガウシアンビームプロファイルで模擬されました。時間ステップはδt = 0.04 fs、シミュレーション時間は3 ps（Cバンド）または5 ps（LおよびEバンド）、約301周期の光源をカバーしました。
3. 実験設計と主要ステップ
研究には以下の主要なステップが含まれています： 1. 入力/出力カプラ設計：研究では3種類の主要な入力/出力カプラ構造、すなわちY字型スプリッタ、導波路型カプラ、MMI型カプラを比較しました。最終的に、より広い干渉管理範囲と高い伝送特性制御能力を持つMMI型カプラが選ばれました。 2. 遅延線と位相変調器設計：異なる長さの遅延線と位相変調器（Phase Shifter, PS）を導入することで、2つの光信号間の位相差を制御しました。 3. マルチモード干渉領域設計：MMI領域は5列の連続した誘電棒を除去して形成され、その長さは動作点に基づいてlmmi = 26aと決定されました。出力単一モード導波路は必要な出力信号を抽出するために使用されました。 4. 性能評価と最適化：遅延線の長さ、MMIの長さ、有効屈折率などの異なる構造パラメータを調整することで、デバイスの性能を最適化しました。
4. 革新的実験方法とアルゴリズム
研究チームは、フォトニック結晶導波路の設計パラメータを最適化するために粒子群最適化（Particle Swarm Optimization, PSO）アルゴリズムに基づく方法を開発しました。さらに、自己イメージング原理（Self-Imaging Principle）とマルチモード干渉効果（Multimode Interference Effect）を利用して平坦な通過帯域応答を実現しました。
b) 主要な結果とデータ分析
1. 4チャンネル、6チャンネル、8チャンネル、16チャンネル(解)インターリーバーの性能
研究では、4チャンネル、6チャンネル、8チャンネル、16チャンネルのPC-MZI (解)インターリーバーを成功裏に設計・シミュレーションしました。具体的な結果は次の通りです： - 4チャンネルデバイス：中心波長はそれぞれ1.521 µm、1.541 µm、1.554 µm、1.569 µmで、隣接チャネル間隔は10 nm、非隣接チャネル間隔は20 nmです。1.55 µm付近での電力損失は0.05 dB、チャネルアイソレーションは-24 dBです。 - 6チャンネルデバイス：中心波長の範囲は1.538 µmから1.578 µmで、1 dB帯域幅は4.2 nmから5 nm、3 dB帯域幅は7.6 nmから8.5 nmです。チャネルアイソレーションの範囲は-12 dBから-26 dBです。 - 16チャンネルデバイス：中心波長の範囲は1.526 µmから1.604 µmで、1 dB帯域幅は2 nmから4.5 nm、3 dB帯域幅は3.9 nmから6 nmです。隣接チャネル間隔は11 nm、非隣接チャネル間隔は22 nmです。
2. 平坦な通過帯域と急峻なスペクトルエッジ
すべての設計は平坦な通過帯域応答（形状係数>0.5）と急峻なスペクトルエッジ（ロールオフ率12–30 dB/nm）を示しました。さらに、デバイス全体の電力損失は3 dB未満で、チャネルアイソレーションは-14 dB以下でした。
3. 結果の意義と論理関係
これらの結果は、MMIに基づくPC-MZI設計が従来のMZIの入力/出力カプラに関する限界を効果的に解決し、同時にDWDMおよびCWDMネットワークにおける高性能(解)インターリーバーの要件を満たしていることを示しています。
c) 研究の結論と価値
本研究では、平坦な通過帯域応答、低電力損失、低クロストークを実現するMMIに基づくPC-MZI (解)インターリーバーを成功裏に開発しました。この設計はDWDMおよびCWDMネットワークにおいて重要な応用価値を持ち、特に高密度波長分割多重システムで有用です。また、研究で提案された最適化手法と設計アプローチは、将来のフォトニック結晶デバイスの開発に新たな方向性を提供します。
d) 研究のハイライト
- 革新的設計：初めてMMIをPC-MZIの入力/出力カプラ設計に適用し、従来のMZIの波長依存性問題を解決しました。
- 高性能指標：平坦な通過帯域応答、急峻なスペクトルエッジ、低電力損失を実現しました。
- 広範な応用可能性：設計はDWDMおよびCWDMネットワークに適用可能で、次世代の高容量光通信システムに技術的サポートを提供します。
e) その他の価値ある情報
研究チームは、すべての設計されたデマルチプレクサのレイアウト面積が1.4 × 10⁻³ mm²未満であることを強調しており、極めて高い集積度とコンパクトさを示しています。また、研究で使用されたFDTDシミュレーション手法とPSO最適化アルゴリズムは、今後の同様の研究にとって重要な参考となります。
まとめと意義
この論文は、MMIに基づくPC-MZI (解)インターリーバーの設計と最適化プロセスを示しただけでなく、光通信分野における高性能波長解復用技術に新しい解決策を提供しました。本研究の科学的価値は、従来のMZI設計における重要な問題を解決することにあり、その応用価値は次世代の高容量光ネットワークに信頼できる技術的サポートを提供することにあります。