[論文レビュー] Toward Microphononic Circuits on Chip: An Evaluation of Components based on High-Contrast Evanescent Confinement of Acoustic Waves

Yangyang Liu, Nathan Dostart+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スラブ状のシリコンベースの固体的で平らな構造において、GHz周波数帯域の音響波を高スローネスコントラストによるエバネッセント励起で閉じ込めることで、懸垂部を必要としないモノリシックでチップ内統合型のマイクロフォノニクス回路プラットフォームを提案する。本研究では、波ガイドの曲げ、方向性 coupler、Y分岐器、マイクロリング共振器といったコンactなマイクロスケール音響素子—それぞれ高品質因数（Q > 1,000）、低伝搬損失（数マイクロメートルから数ミリメートル）、10 µm未塔のフットプリント—が実現可能であることを示し、1–100 GHz帯域におけるチップ内信号処理用の複雑で機能的な回路の実現を可能にする。

ABSTRACT

We investigate the prospects for micron-scale acoustic wave components and circuits on chip in solid planar structures that do not require suspension. We leverage evanescent guiding of acoustic waves by high slowness contrast materials readily available in silicon complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes. High slowness contrast provides strong confinement of GHz frequency acoustic fields in micron-scale structures. We address the fundamental implications of intrinsic material and radiation losses on operating frequency, bandwidth, device size and as a result practicality of multi-element microphononic circuits based on solid embedded waveguides. We show that a family of acoustic components based on evanescently guided acoustic waves, including waveguide bends, evanescent couplers, Y-splitters, and acoustic-wave microring resonators, can be realized in compact, micron-scale structures, and provide basic scaling and performance arguments for these components based on material properties and simulations. We further find that wave propagation losses are expected to permit high quality factor (Q), narrowband resonators and propagation lengths allowing delay lines and the coupling or cascading of multiple components to form functional circuits, of potential utility in guided acoustic signal processing on chip. We also address and simulate bends and radiation loss, providing insight into routing and resonators. Such circuits could be monolithically integrated with electronic and photonic circuits on a single chip with expanded capabilities.

研究の動機と目的

• 固体的で平らな波ガイドを用いたチップ上でのマイクロスケール音響回路の実現可能性を評価すること。
• 材料の固有損失および放射損失が、デバイスのサイズ、帯域幅、回路の複雑さに及ぼす基本的制限を解明すること。
• CMOS準拠材料を用いた高スローネスコントラストに基づく、曲げ、コプラ、分岐器、共振器といったコンパクトで高性能な音響素子を実現すること。
• 伝搬損失、Q因数、コンポーネントサイズの観点から、エバネッセントに閉じ込められた音響波ガイドのスケーリング則と性能基準を確立すること。
• 電子的および光子的システムとモノリシックに統合可能なマイクロフォノニクス回路を、1枚のチップ上に実現し、高度な信号処理を可能とすること。

提案手法

• SiとSiO₂などの材料間の高スローネスコントラストを、平面的でCMOS準拠の構造に応用することで、マイクロメートルスケールの断面でGHz帯音響波を強力にエバネッセント閉じ込めること。
• 有限要素法（FEM）を用いて、波ガイド幾何形状における音響場分布、伝搬損失、放射損失をシミュレーションでモデル化する。
• 複素弾性率モジュラスモデルを用いて、1–100 GHz周波数帯域におけるQ因数とライン幅の推定を行うことで、材料の固有損失を分析する。
• スローネスコントラストおよび波ガイド幾何形状に基づくコンポーネントサイズのスケーリング則を導出し、10 µmの曲げやコプラが実現可能であることを示す。
• 主要コンポーネントの設計とシミュレーション：S字型の波ガイド曲げで放射損失を最小化、方向性コプラでは5 µm未塔の有効結合長、Y分岐器では3 dBの対称性、マイクロリング共振器では高Qを実現。
• モードマッチングおよびパワーフロー解析を用いて、曲げ部およびコプラ部の放射損失を評価し、コンパクトで低損失なルーティング戦略を導く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高スローネスコントラストによるエバネッセント閉じ込めは、懸垂部を必要としない固体的で平らなCMOS準拠構造において、マイクロスケール音響波ガイドを実現可能か？
• RQ2 材料の固有損失および放射損失が、このような波ガイドの動作周波数、帯域幅、伝搬長に及ぼす基本的制限は何か？
• RQ3 エバネッセント結合を用いて、10 µm未塔のフットプリントでコンパクトで高Qの音響素子（曲げ、コプラ、分岐器、共振器）を実現可能か？
• RQ4 スローネスコントラストは、方向性コプラの最小曲げ半径および結合長にどのように影響するか？
• RQ5 これらのコンポーネントをどれだけ連鎖接続または相互接続して、機能的なマルチエレメントマイクロフォノニクス回路を構築できるか？

主な発見

• 10 µmの曲げ半径で放射損失が最小限に抑えられる波ガイド曲げが実現可能であり、マイクロフォノニクス回路におけるコンパクトなルーティングを可能にする。
• 3.35 GHzで5 µm未塔の有効結合長を達成できる方向性コプラが実現可能であり、10 µm未塔のコンポーネントフットプリントを実現可能である。
• S曲げ幾何形状を用いた20 µm長、10 µm幅のY分岐器で、50:50のパワー分岐を実現可能であり、対称性と低損失を確保できる。
• 高スローネスコントラスト波ガイドに形成されたマイクロリング共振器は、Q因数が数え千に達し、狭帯域信号処理を可能にする。
• 伝搬損失が十分に低いため、1–100 GHz帯域で数マイクロメートルから数ミリメートルの伝搬が可能であり、遅延ラインやコンポーネントのカスケード接続を可能にする。
• 本プラットフォームは、CMOSプロセスで電子回路および光子回路とモノリシックに統合可能であり、RF、センシング、オプトメカニカル信号処理向けの複雑なチップ内システムの実現を可能にする。