[논문 리뷰] 100GHz Integrated All-Optical Switch Enabled by ALD

Grégory Moille, Sylvain Combrié외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 04.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 알루미나(Al₂O₃)의 원자층 증착(Al₂O₃)을 통해 표면 재결합을 감소시키고 캐리어 수명을 약 ~12 ps로 최적화함으로써, GaAs 광결정 공진자에서 100 GHz 통합 전광학 스위치를 구현한다. 이 장치는 100 fJ/파uls 에너지로 100 GHz에서 7 dB의 조절 대비를 달성하며, 통신 파장에서 저에너지, 고속 전광학 신호 처리를 실현한다. 이는 광집적회로와 높은 호환성을 가진다.

ABSTRACT

The carrier lifetime of a photonic crystal all-optical switch is optimized by controlling the surface of GaAs by Atomic Layer Deposition. We demonstrate an all optical modulation capability up to 100GHz at Telecom wavelengths, with a contrast as high as 7dB. Wavelength conversion has also been demonstrated at a repetition rate of 2.5GHz with average pump power of about 0.5mW

연구 동기 및 목표

• 초고속 통합 광집적회로에서의 전광학 스위칭을 실현하기 위해 고속, 저에너지, 통신 파장과의 호환성을 확보한다.
• GaAs 기반 광결정 스위치에서 느린 캐리어 재결합 문제를 해결함으로써 스위칭 속도와 효율을 제한하는 문제를 해결한다.
• 100 GHz 동작에 필요한 4.5 ps 펄스 지속시간과 일치시키기 위해 GaAs 광결정 공진자 내 캐리어 수명을 최적화한다.
• 저출력 펌프를 사용하여 고반복률에서 실질적인 전광학 조절 및 파장 변환을 구현한다.
• 원자층 증착(Al₂O₃)을 통한 표면가공을 통해 10 ps 이내의 스위칭 동역학을 달성한다.

제안 방법

• GaAs 광결정 표면에 Al₂O₃를 원자층 증착(Al₂O₃)하여 균일하게 코팅함으로써 표면 재결합 속도를 10배 이상 감소시켰다.
• 자유전자 유도 굴절률 변화를 통해 고대비 전송 조절을 가능하게 하는 두 개의 결합된 H₀ 광결정 공진자로 구성된 광분자 구조를 사용하였다.
• 2 ps의 프로브 펄스를 사용한 시간 분해 펌프-프로브 측정을 통해 스위칭 동역학을 특성화하였으며, 70 GHz 샘플링 옛스코프와 저노이즈 EDFA를 이용해 전달된 프로브 전력의 감지를 수행하였다.
• 변동 가능한 지연(Δt: 0에서 40 ps)을 가진 두 개의 펌프 펄스 훈련을 생성하기 위해 마이클슨 간섭계를 사용하였다.
• ALD 표면가공을 통해 캐리어 수명을 조절하여 최적의 12 ps 회복 시간을 확보하였으며, 이는 최대 효율을 위해 4.5 ps의 펌프 펄스 지속시간과 일치시켰다.
• 열적 드리프트를 보완하기 위해 프로브 파장과 공진선을 상대적으로 조절함으로써 최적의 대비를 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs 광결정 공진자에서 ALD 표면가공이 표면 재결합을 감소시키고 초고속 전광학 스위칭을 위한 캐리어 수명을 최적화할 수 있는가?
• RQ2 캐리어 수명이 펄스 지속시간과 일치하도록 조절되었을 때, 통합 전광학 스위치의 최대 달성 가능한 조절 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 작고 통합된 플랫폼에서 평균 펌프 전력 ≤0.5 mW로 2.5 GHz에서 파장 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ4 열적 드리프트는 고반복률에서 스위칭 성능에 어떤 영향을 미치며, 이를 보완할 수 있는가?
• RQ5 수페르피코프토조르드 온도의 광학 펄스로 구동되었을 때 장치의 내재된 스위칭 응답(상승/하강 시간)은 얼마인가?

주요 결과

• Al₂O₃의 ALD를 통해 GaAs 광결정 공진자 내 캐리어 수명이 12 ps로 성공적으로 최적화되었으며, 이는 4.5 ps의 펌프 펄스 지속시간과 거의 완벽하게 일치시켰다.
• 100 fJ/파울 에너지로 100 GHz에서 최대 7 dB의 스위칭 대비를 달성하여 고효율 전광학 조절을 입증하였다.
• 1/e 스위칭 윈도우는 12 ps였으며, 상승 및 하강 시간은 100 GHz 조절 대역폭과 일치하는 것으로 확인되었다.
• 평균 펌프 전력 0.5 mW로 2.5 GHz에서 파장 변환을 성공적으로 구현하였으며, 최대 대비는 7 dB였으며, 고반복률에서 열적 드리프트로 인해 제한되었다.
• 10 ps 간격의 2 ps 펌프 펄스 두 개로 구성된 훈련은 잘 정의된 비중첩 응답을 보였으며, 안정적인 100 GHz 동작을 확인하였다.
• 10 GHz 반복률에서 열 효과가 뚜렷해졌으며, 3 K의 온도 상승으로 인해 150 pm의 적색 이동이 발생하여 대비가 악화되고 공진선에서 이격되었다.