[論文レビュー] Thermal tuners on a Silicon Nitride platform

Daniel Pérez, Juan Pêdro Solano Fernández+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 18被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、シリコンナ nitrideプラットフォーム上にコンパクトな熱的トナーを提示し、270×5 µm²のフットプリントと350 mWのスイッチングパワーを達成するとともに、20 µmを超える距離においては熱的クロストークが1桁分未満に抑えられている。設計では、多ヒーター折りたたみ波ガイド構成を採用することで、熱的効率を向上させ、消費電力を低減するとともに、高密度フォトリック集積回路におけるクロストークを最小限に抑える。

ABSTRACT

In this paper, the design trade-offs for the implementation of small footprint thermal tuners on silicon nitride are presented, and explored through measurements and supporting simulations of a photonic chip based on Mach-Zehnder Interferometers. Firstly, the electrical properties of the tuners are assessed, showing a compromise between compactness and deterioration. Secondly, the different variables involved in the thermal efficiency, switching power and heater dimensions, are analysed. Finally, with focus on exploring the limits of this compact tuners with regards to on chip component density, the thermal-cross talk is also investigated. Tuners with footprint of 270x5 μm 2 and switching power of 350 mW are reported, with thermal-cross talk, in terms of induced phase change in adjacent devices of less than one order of magnitude at distances over 20 μm. Paths for the improvement of thermal efficiency, power consumption and resilience of the devices are also outlined

研究の動機と目的

• シリコンナ nitrideフォトリック集積回路用チップ内熱的トナーにおけるコンパクトネス、熱的効率、クロストークのトレードオフを解消すること。
• 消費電力を低減し、熱的封じ込めを向上させるために、ヒーターの寸法と波ガイド構成を最適化すること。
• 超高密度部品応用を想定した超コンパクトトナーにおける熱的クロストークを調査し、最小限に抑えること。
• 熱的効率を向上させ、消費電力要件を低減する多ヒーター折りたたみ波ガイドアーキテクチャの提案と評価。
• Si3N4ベースのPICにおいてフットプリント、消費電力、耐障害性のバランスを取る設計フレームワークの提供。

提案手法

• CMOS準拠のPECVDおよびLPCVDプロセスを用いて、Si3N4/SiO2プラットフォーム上にコンパクトな熱的トナーを備えたマチ・ゼンダ干渉計（MZI）試作構造の設計およびプロセス実装。
• 測定された抵抗率および材料特性を用いて、COMSOL Multiphysicsを用いた熱光的シミュレーションにより、温度および屈折率変化をモデル化。
• 三本の金属ストリップを用いた多ヒーター折りたたみ波ガイド構成を実装し、五つの光学的波ガイドコアを調整することで熱的効率を向上。
• 複数のデバイス構成における電気的特性、スイッチングパワー、熱的クロストークの実験的特性評価。
• 勾配付き導体の抵抗を解析的にモデル化し、ヒーターの幾何形状および熱的応答を最適化。
• ヒーター長さ、幅、間隔を系統的に変化させ、消費電力、熱的クロストーク、フットプリントのトレードオフを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒーターの寸法および幾何形状は、シリコンナ nitride上でのコンパクトな熱的トナーにおける熱的効率と消費電力にどのように影響するか？
• RQ2 超コンパクトな熱的トナーにおける隣接波ガイド間の熱的クロストークのレベルは何か？また、デバイス間隔に応じてどのようにスケーリングするか？
• RQ3 多ヒーター折りたたみ波ガイド構成は、従来の単一ヒーター設計と比較して、熱的効率を向上させ、消費電力を低減できるか？
• RQ4 Si3N4ベースの熱的トナーにおいて、フットプリント、スイッチングパワー、熱的クロストークの最適なバランスは何か？
• RQ5 マルチコア構成における波ガイドコアの熱的応答は、ヒーターの配置および位置にどのように依存するか？

主な発見

• 270×5 µm²のフットプリントと350 mWのスイッチングパワーを有する熱的トナーが、実際に製造され、実験的に検証された。
• 隣接デバイスにおける誘導位相変化として測定された熱的クロストークは、20 µmを超える距離では1桁分未満であった。
• 多ヒーター折りたたみ波ガイド構成により、波ガイドセグメント数とヒーター ストライプ数の比が5:3に達し、熱的効率が向上した。
• 提案された構成により、ヒーター間で本来は失われるはずの熱を有効に利用することで、消費電力を低減した。
• シミュレーションと測定結果から、ヒーターが適切に折りたたまれて配置されると、熱的クロストークが顕著に低減することが確認された。
• 本研究は、コンパクトな熱的トナーが、最小限のクロストークで低消費電力で動作可能であることを示しており、高密度フォトリック集積回路の実現を可能にしている。