[論文レビュー] Roadmap on Atto-Joule per Bit Modulators

Volker J. Sorger, Rubab Amin+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、グラフェンを用いたプラズモンモードおよびハイブリッド光-プラズモン構造を活用することで、1ビットあたりアッセジュール（atto-joule）のエネルギー効率に近いオンチップ電気光変調器の実現に向けたロードマップを提示する。110 aJ/bitの変調器を実現し、0.05 dB/V/μmの効率を達成した。770 nmの長さのデバイスでは2 dB/V/μmの性能を示し、電子ネットワーク比で2桁のエネルギー効率の向上を実現した。これは、光コンピューティングおよびニューロモーラルシステムにおける応用に向けた基盤を提供する。

ABSTRACT

Electrooptic modulation performs the conversion between the electrical and optical domain with applications in data communication for optical interconnects, but also for novel optical compute algorithms such as providing nonlinearity at the output stage of optical perceptrons in neuromorphic analogue optical computing. Since the clock frequency for photonics on chip has a power overhead sweet slot around 10s of GHz, ultrafast modulation may only be required in long distance communication, but not for short onchip links. Here we show a roadmap towards atto Joule per bit efficient modulators on chip as well as some experimental demonstrations of novel plasmon modulators with sub 1fJ per bit efficiencies. We then discuss the first experimental demonstration of a photon plasmon-hybrid Graphene-based electroabsorption modulator on silicon. The device shows a sub 1V steep switching enabled by near ideal electrostatics delivering a high 0.05dB per V um performance requiring only 110 aJ per bit. Improving on this design, we discuss a plasmonic slot based Graphene modulator design, where the polarization of the plasmonic mode matches with Graphenes inplane dimension. Here a push pull dual gating scheme enables 2dB per V um efficient modulation allowing the device to be just 770 nm short for 3dB small signal modulation. This in turn allows for a device-enabled two orders of magnitude improvement of electrical optical co integrated network on chips over electronic only architectures. The latter opens technological opportunities in in cognitive computing, dynamic data-driven applications system, and optical analogue compute engines to include neuromorphic photonic computing.

研究の動機と目的

• 1 aJ/bitに近いエネルギー効率を実現するオンチップ電気光変調器の開発により、超低消費電力光インターコネクトの実現を図る。
• 集積回路における電子インターコネクトのエネルギーおよび帯域幅の制限を、光子統合技術によって克服する。
• 特にニューロモーラルおよび認知コンピューティングシステムに適したエネルギー効率の高い光コンピューティングアーキテクチャの実現を目的とする。
• グラフェンベースの電気吸収変調器が1 fJ/bit未満のエネルギー効率を達成できる実験的妥当性を示す。
• 光と物質の相互作用を強化し、デバイスのフィットネスを縮小するためのプラズモンモードおよびハイブリッド光-プラズモン設計の検討

提案手法

• 近似的に理想に近い静電的特性を持つグラフェンベースの電気吸収変調器を用い、1 V未満のバイアスで急峻なスイッチングを実現する。
• プラズモンモードの偏光がグラフェンの平面内光学応答と一致するスロット構造のプラズモンモードを採用する。
• 変調効率の向上と高速動作の実現を目的に、プッシュプル二重ゲート方式を適用する。
• グラフェンとシリコン準拠プラズモン波ガイドを統合し、強い電場閉じ込めと低エネルギー動作を実現する。
• 低伝播損失と高い電場強化を両立するため、ハイブリッド光-プラズモン構成を採用する。
• デバイス性能の評価には、dB/V/μmおよび1ビットあたりのエネルギー（aJ/bit）といった指標を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンベースの電気吸収変調器は、コンactなオンチップ設計で1 fJ/bit未満のエネルギー効率を達成できるか？
• RQ2 プラズモンモードとグラフェンの平面内光学応答との偏光整合性が、変調効率にどのように影響するか？
• RQ3 二重ゲート方式は、プラズモン変調器のエネルギー効率および帯域幅をどの程度向上できるか？
• RQ4 シリコン光子プラットフォーム上におけるグラフェンベースのプラズモン変調器の理論的および実験的エネルギー効率限界は何か？
• RQ5 このような変調器は、ネットワークオンチップアーキテクチャにおいて、電子インターコネクト比で2桁のエネルギー効率向上を実現できるか？

主な発見

• グラフェンベースの電気吸収変調器は、110 aJ/bitのエネルギー効率を達成し、1 fJ/bit未満の動作を実証した。
• 設計における近似的に理想に近い静電的特性のおかげで、1 V未満のバイアスで急峻なスイッチングを実現した。
• プラズモンスロット構造に基づく変調器では、2 dB/V/μmの効率を達成し、770 nmの長さのデバイスで3 dBの小信号帯域幅を達成した。
• ハイブリッド光-プラズモン構成により、強い光-物質相互作用と高い電場閉じ込めが、コンパactsなフォームファクタで実現された。
• 提案された変調器は、電子オンリーネットワークオンチップアーキテクチャ比で2桁のエネルギー効率向上を可能にした。
• これらの結果は、認知コンピューティング、動的データ駆動型アプリケーション、光アナログコンピューティングエンジンにおける光インターコネクトの実現に向けた道筋を示した。