[論文レビュー] Breaking the cavity linewidth limit of resonant optical modulators

Wesley D. Sacher, William M. J. Green+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2012

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、キャビティ帯域幅とは独立してモード帯域幅を制御できる非断熱的結合モードを用いたシリコンマイクロリングレゾネータにおける帯域幅制御を示しており、従来の高速動作と低消費電力のトレードオフを打ち破った。マハーチェンダ干渉計（MZI）カップラーを用いて、キャビティ帯域幅を超える速度で結合係数を変調することで、1.5 V未満の駆動電圧で40 Gb/sの動作を達成した。これにより、従来は帯域幅制限により制限されていた高Qレゾネータにおいても、高速・低消費電力の光変調が可能となった。

ABSTRACT

Microring optical modulators are being explored extensively for energy-efficient photonic communication networks in future high-performance computing systems and microprocessors, because they can significantly reduce the power consumption of optical transmitters via the resonant circulation of light. However, resonant modulators have traditionally suffered from a trade-off between their power consumption and maximum operation bit rate, which were thought to depend oppositely upon the cavity linewidth. Here, we break this linewidth limitation using a silicon microring. By controlling the rate at which light enters and exits the microring, we demonstrate modulation free of the parasitic cavity linewidth limitations at up to 40 GHz, more than 6x the cavity linewidth. The device operated at 28 Gb/s using single-ended drive signals less than 1.5 V. The results show that high-Q resonant modulators can be designed to be simultaneously low-power and high-speed, features which are mutually incompatible in typical resonant modulators studied to date.

研究の動機と目的

• 共振型光モジュレータにおける高速動作と低消費電力の根本的トレードオフを克服すること。
• モード帯域幅をキャビティ帯域幅を超えることを示し、モード制御機構をキャビティ内場のダイナミクスから分離すること。
• 高Qシリコンマイクロリングレゾネータにおける高速・低消費電力動作を実現するための非断熱的結合モードが実用的であることを検証すること。
• Qファクターとビットレートを変化させた場合の、結合モードと従来のキャビティ内モードのエネルギー効率を比較すること。

提案手法

• 2×2マハーチェンダ干渉計（MZI）カップラーを備えたシリコンオンインサレータ（SOI）マイクロリングモジュレータを用い、結合係数と共鳴波長を独立して制御した。
• MZIの各腕に差動位相シフタを設け、電気信号により透過およびクロス結合係数（σ(t) および κ(t)）を変調することで、非断熱的結合モードを実現した。
• MZIの位相シフタに周期的な方形波駆動信号を印加し、平均キャビティ内場を解析的にモデル化し、結合モード効率（ηc）を導出した。
• スイープ波長レーザ、67 GHzベクトルネットワークアナライザ、40 GHz RFプローブを用いて、S21応答および40 Gb/sでのアイダイアグラムを測定した。
• 同一デバイスに統合されたPNダイオード位相シフタを用いて、キャビティ内モードと結合モードの直接比較を実施。カップラー特性を分離するための基準MZI測定を併記した。
• SacherとPoon（2008, 2009）の理論モデルを基に、エネルギー効率（ηc）を計算し、キャビティ内モード（ηi）と比較した。高Qおよび高ビットレート条件下で優れた性能を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ内場ダイナミクスからモード制御を分離することで、共振型光モジュレータの帯域幅をキャビティ帯域幅を超えることは可能か？
• RQ2 高Qマイクロリングレゾネータにおいて、非断熱的結合モードはキャビティ内モードよりも高いエネルギー効率を実現できるか？
• RQ3 シリコンマイクロリングで結合モードを用いて、1.5 V未満の駆動電圧で40 Gb/sの動作を達成できるか？
• RQ4 結合モードのエネルギー効率は、Qファクターおよびビットレートの変化に対して、キャビティ内モードと比較してどのように変化するか？

主な発見

• 非断熱的結合モードを用いたモジュレータは、1.5 V未満の単端子駆動電圧で40 Gb/sの動作を達成し、キャビティ帯域幅を6倍以上も超えた。
• 高Qファクター下で結合モードのエネルギー効率（ηc）はキャビティ内モード（ηi）を上回り、40 Gb/sで50 μmから500 μmのループ長に対してηc > ηiが達成可能であった。
• 出力スイングが0–90%の場合、キャビティ帯域幅が約1.2 GHz未満、つまり5 μm半径のリングに対してQファクターが約10,000以上の場合にηc > ηiが成立した。
• 熱チューナーを用いて結合係数と共鳴波長を独立して調整でき、両パrameterの精密制御が可能であった。
• 28 Gb/sでのアイダイアグラムは、単一タップのプリエンファシスを施した状態で明確に開いたアイを示し、誤りなしの伝送性能を確認した。
• 理論的モデルにより、非断熱的結合モードは一時的にキャビティ内に蓄えられたエネルギーのわずかな割合しか抽出しないことが確認され、完全なキャビティ放棄なしに高帯域幅動作が可能であることが示された。