[論文レビュー] A 25 Gb/s Silicon Photonics Platform

Tom Baehr‐Jones, Ran Ding+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2012

Photonic and Optical Devices被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、スケーラブルなプロセスで大規模に製造可能な光学リソグラフィーを用いた、1枚のウェーハに高速モジュレータおよびフォトディテクタを統合した25 Gb/sのシリコンフォトニクスプラットフォームを提案する。25 Gb/sで1 Vppという超低駆動電圧を達成し、ウェーハ間での優れた均一性を示しており、チップスケールの応用に向けた高性能で低コストの統合フォトニック・エレクトロニクスシステムの実現を可能にする。

ABSTRACT

Silicon has attracted attention as an inexpensive and scalable material system for photonic-electronic, system-on-chip development. For this, a platform with both photodetectors and modulators working at high speeds, with excellent cross-wafer uniformity, is needed. We demonstrate an optical-lithography, wafer-scale photonics platform with 25 Gb/s operation. We also demonstrate modulation with an ultra-low drive voltage of 1 Vpp at 25 Gb/s. We demonstrate attractive cross-wafer uniformity, and provide detailed information about the device geometry. Our platform is available to the community as part of a photonics shuttle service.

研究の動機と目的

• CMOSプロセスと互換性を持つ、スケーラブルでウェーハスケールのシリコンフォトニクスプラットフォームの開発を目的とする。これは高速光インターバンクに適している。
• エネルギー効率を高めるために、シリコンモジュレータで25 Gb/s動作を達成し、低駆動電圧を実現することを目的とする。
• 大規模統合に向けた信頼性の高い再現性のあるデバイス性能を確保するため、ウェーハ間での優れた均一性を確保することを目的とする。
• 研究者や開発者による迅速なプロトタイピングとコミュニティ利用を可能にする、公開可能なフォトニクスシャトルサービスの提供を目的とする。
• 1つのプラットフォーム上で高機能なフォトディテクタとモジュレータを統合し、その性能を実証することを目的とする。

提案手法

• フォトニック素子の正確で高スループットなパターニングを実現するため、シリコンウェーハ上での光学リソグラフィーの活用。
• 低損失を実現するため、最適化されたリブおよびストリップ波ガイド断面を有するシリコンオンインサレータ（SOI）波ガイドの設計およびプロセス。
• 25 Gb/sで1 Vppの駆動電圧を実現するため、電界吸収型モジュレータ（EAM）の実装。これにより、消費電力を最小限に抑える。
• 25 Gb/sでのデータ伝送に適した高い効率と帯域幅を実現するため、シリコン上にゲルマニウムを積層したフォトディテクタの統合。
• 複数のウェーハにわたるプロセス制御および均一性モニタリングを実施するウェーハスケールのプロセス。
• 研究者や開発者がプラットフォームに外部からアクセス可能であり、迅速なプロトタイピングが可能なフォトニクスシャトルサービスの活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合されたシリコンフォトニクスプラットフォームは、低駆動電圧と優れた均一性を備えて25 Gb/s動作を達成できるか？
• RQ2 生産環境下で、複数のウェーハにわたるモジュレータおよびフォトディテクタの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 光学リソグラフィーは、シリコン上に複雑なフォトニック回路を高効率でスケーラブルにプロセス可能にするか？
• RQ4 25 Gb/sでの統合モジュレータの実現可能な帯域幅およびエネルギー効率はどの程度か？
• RQ5 フォトニクスシャトルサービスを通じて、プラットフォームはどのように迅速なプロトタイピングとコミュニティの採用を支援するか？

主な発見

• プラットフォームは、モジュレータで1 Vppという超低駆動電圧を実現し、25 Gb/s動作を達成した。これは、消費電力の顕著な低減を意味する。
• ウェーハ間での優れた均一性を示しており、フォトニック回路の信頼性の高い大規模製造が可能である。
• ゲルマニウムをシリコン上に積層したフォトディテクタは、25 Gb/sのデータ伝送に適した高い効率と帯域幅を達成した。
• 光学リソグラフィーの活用により、1枚のウェーハ上に複雑なフォトニック素子を正確かつ高スループットでプロセス可能である。
• プラットフォームは研究コミュニティにフォトニクスシャトルサービスを通じて提供され、迅速なプロトタイピングと協働を促進した。
• 詳細なデバイスジオメトリリデータおよび性能指標が提供されており、再現性の確保とさらなる開発を支援した。