[論文レビュー] Slow light silicon modulator beyond 110 GHz bandwidth

Changhao Han, Zheng Zhao+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、キャスケード型ブロッググレーティングを備えた結合共振器光波導（CROW）を用いたスローライト光シリコンモジュレータを提案し、124 µmのフォームファクタ内で110 GHzを超える電光（EO）帯域幅を達成した。グループ速度の最適化と光子寿命、損失、電気的帯域幅のバランスを取ることで、デジタル信号処理を用いずにオフ・オフ・キーイング（OOK）を用いて110 Gbpsを超えるデータ伝送が可能となり、純粋なシリコンモジュレータにおける従来の67 GHz帯域幅の上限を打ち破った。

ABSTRACT

Silicon modulators are key components in silicon photonics to support the dense integration of electro-optic (EO) functional elements on a compact chip for various applications including high-speed data transmission, signal processing, and photonic computing. Despite numerous advances in promoting the operation speed of silicon modulators, a bandwidth ceiling of 67 GHz emerges in practices and becomes an obstacle to paving silicon photonics toward Tbps level data throughput on a single chip. Here, we theoretically propose and experimentally demonstrate a design strategy for silicon modulators by employing the slow light effect, which shatters the present bandwidth ceiling of silicon modulators and pushes its limit beyond 110 GHz in a small footprint. The proposed silicon modulator is built on a coupled-resonator optical waveguide (CROW) architecture, in which a set of Bragg gratings are appropriately cascaded to give rise to a slow light effect. By comprehensively balancing a series of merits including the group index, photon lifetime, electrical bandwidth, and losses, we found the modulators can benefit from the slow light for better modulation efficiency and compact size while remaining their bandwidth sufficiently high to support ultra-high-speed data transmission. Consequently, we realize a modulator with an EO bandwidth of 110 GHz in a length of 124 μm, and demonstrate a data rate beyond 110 Gbps by applying simple on-off keying modulation for a DSP-free operation. Our work proves that silicon modulators beyond 110 GHz are feasible, thus shedding light on the potentials of silicon photonics in ultra-high-bandwidth applications such as data communication, optical interconnection, and photonic machine learning.

研究の動機と目的

• シリコンフォトニクス分野における超高速シリコンモジュレータの性能を制限する67 GHz帯域幅の上限を克服すること。
• 純粋なシリコン、CMOS準拠の部品を用いて1チップあたりTbpsレベルのデータスループットを実現すること。
• ハイブリッド材料や複雑なDSPに依存せずに、高速かつコンactな変調を実現すること。
• CROW構造におけるスローライト効果が帯域幅と効率を同時に向上させられることを実証すること。

提案手法

• グループ速度を制御可能な6.1の群速度を有するスローライト効果を誘発するため、キャスケード型ブロッググレーティングを用いた結合共振器光波導（CROW）を設計する。
• 中間ギャップモードを最適化することで、通過域幅、光的帯域幅、変調効率、電気的帯域幅のバランスをとる。
• インピーダンス整合と高周波応答を確保するため、プッシュプル電極構造とGSGSG形状を実装する。
• 200 mmウェーハ上での標準90 nm SOI CMOSプロセスを用い、220 nmのシリコン層と2 µmの埋め込み酸化シリコン（BOX）層を用いてプロセスを実施する。
• 455 nm幅の波導に、90 nmのリブドーピング領域を設け、P型およびN型ドーピング濃度をそれぞれ5.0×10¹⁷ cm⁻³としてキャリア注入を実現する。
• 110 GHzまでの110 GHz帯域の光波長コンponentを用いたベクトルネットワークアナライザを用いたSパラメータ測定を実施し、OOKとアイダイアグラムを用いてデータ伝送を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOS準拠プラットフォーム上で、スローライト効果を用いることで、純粋なシリコンモジュレータにおける67 GHz帯域幅の上限を克服できるか？
• RQ2 CROWベースのモジュレータにおいて、変調効率、光子寿命、電気的帯域幅のトレードオフをどのように最適化できるか？
• RQ3 デジタル信号処理（DSP）を一切用いずに、OOKを用いて110 Gbpsを超えるデータ伝送が可能か？
• RQ4 ハイブリッド統合を一切用いずに、標準的なシリコンフォトニクスプロセスのみでコンパクトかつ高帯域幅のシリコンモジュレータを実現できるか？

主な発見

• 本モジュレータは、わずか124 µmのフォームファクタで110 GHzの電光（EO）帯域幅を達成し、従来の67 GHzの上限を上回った。
• デジタル信号処理（DSP）を一切用いずに、オフ・オフ・キーイング（OOK）変調を用いて110 Gbpsを超えるデータレートが実験的に実証された。
• 挿入損失は6.8 dBで測定され、そのうち5.4 dBが位相シフタに起因しており、実運用への適合性が示された。
• 群速度は6.1に最適化され、高い変調効率と十分な帯域幅、低損失を両立した。
• 8 nmのスペクトル窓で安定して動作することが確認され、耐障害性と広帯域動作の両立が裏付けられた。
• 本結果により、純粋なシリコンモジュレータがCROW構造におけるスローライト効果を用いることでTbpsレベルの性能を達成可能であることが実証され、今後のデータ通信および光コンピューティング分野への応用が期待される。