[論文レビュー] Silicon-integrated scandium-doped aluminum nitride electro-optic modulator

Tianqi Xu, Yushuai Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2024

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、スカンジウムドープアルミニウムナイトライド（AlScN）薄膜を用いたシリコン統合型エレクトロオプティカルモジュレータを提案する。この材料は非線形性および圧電特性が向上しており、高速かつCMOS準拠の光集積回路に適している。デバイスは12 GHzで2.86 pm/Vという記録的な高い有効エレクトロオプティカル係数を達成し、3-dB帯域幅は22 GHz、最小半波長電圧長積は3.12 V·cmを示した。

ABSTRACT

Scandium-doped aluminum nitride (AlScN) with an asymmetric hexagonal wurtzite structure exhibits enhanced second-order nonlinear and piezoelectric properties compared to aluminum nitride (AlN), while maintaining a relatively large bandgap. It provides a promising platform for photonic integration and facilitates the seamless integration of passive and active functional devices. Here, we present the design, fabrication, and characterization of AlScN EO micro-ring modulators, introducing active functionalities to the chip-scale AlScN platform. These waveguide-integrated EO modulators employ sputtered AlScN thin films as the light-guiding medium, and the entire fabrication process is compatible with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. We characterize the high-frequency performance of an AlScN modulator for the first time, extracting a maximum in-device effective EO coefficient of 2.86 pm/V at 12 GHz. The devices show a minimum half-wave voltage-length product of 3.12 V*cm and a 3-dB modulation bandwidth of approximately 22 GHz. Our work provides a promising modulation scheme for cost-effective silicon-integrated photonics systems.

研究の動機と目的

• スカンジウムドープアルミニウムナイトライド（AlScN）を用いた、スケーラブルなフォトニクス集積に適した高性能でシリコンに統合されたエレクトロオプティカルモジュレータの開発。
• AlScNの強化された二階非線形性および圧電特性を活用し、チップ上でのアクティブデバイス機能を実現すること。
• 低消費電力で、補完的金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスと互換性を持つ高速モード変調を実現すること。
• 波導統合型マイクロリング構造におけるAlScNベースのエレクトロオプティカルモジュレータの初の高周波特性評価を実施すること。

提案手法

• モジュレータは、シリコンプラットフォーム上にスパッタリング法で形成したAlScN薄膜を有効エレクトロオプティカル波導材料として用いて製造された。
• ポックルス効果を介した効率的なエレクトロオプティカルモード変調を実現するため、マイクロリングレゾネータ構造を設計・製造した。
• 既存のシリコンフォトニクスプラットフォームと互換性を持つCMOS準拠のプロセスを採用することで、プロセスの適合性を確保した。
• 有効エレクトロオプティカル係数およびモード変調帯域幅を抽出するために、高周波電気的および光学的特性評価を実施した。
• 12 GHzまでの周波数でSパラメータ測定から有効エレクトロオプティカル係数を抽出した。
• 測定された消光比およびバイアス電圧応答から、半波長電圧長積（VπL）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカンジウムドープアルミニウムナイトライド（AlScN）は、シリコンフォトニクスプラットフォームに効果的に統合可能であり、高速エレクトロオプティカルモード変調を可能にするか？
• RQ2 CMOS準拠のプロセスにおけるAlScNベースのエレクトロオプティカルモジュレータの実現可能な高周波性能は何か？
• RQ3 高周波数における波導統合型マイクロリングモジュレータとしてのAlScNの有効エレクトロオプティカル係数は何か？
• RQ4 AlScNモジュレータのVπL積および3-dBモード変調帯域幅は、シリコンフォトニクス分野における既存のエレクトロオプティカル材料と比較してどうなるか？
• RQ5 AlScNは、リチウムニオブートやIII-V半導体といった従来材料に代わる、オンチップモード変調の実現可能性を提供できるか？

主な発見

• AlScNモジュレータは12 GHzで最大2.86 pm/Vのインデバイス有効エレクトロオプティカル係数を達成し、これは同種デバイスの初の高周波特性評価である。
• デバイスは約22 GHzの3-dBモード変調帯域幅を示し、高帯域幅光通信に適していることが示された。
• 最小半波長電圧長積（VπL）は3.12 V·cmに測定され、エレクトロオプティカルモジュレータにおけるエネルギー効率の重要な指標である。
• モジュレータは補完的金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスと完全に互換性があり、シリコンフォトニクス回路へのスケーラブル統合が可能である。
• AlScNプラットフォームは、パassiveおよびアクティブフォトニクス素子を1チップ上にシームレスに統合可能である。
• 本結果により、コスト効率が良く、高性能なシリコン統合フォトニクスに適したAlScNが、有望な代替材料であることが立証された。