[논문 리뷰] A 25 Gb/s Silicon Photonics Platform

Tom Baehr‐Jones, Ran Ding외 13명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 04.

Photonic and Optical Devices인용 수 53

한 줄 요약

이 논문은 고속 조절기와 광검출기를 단일 웨이퍼에 통합한 25 Gb/s 실리콘 포토닉스 플랫폼을 제시한다. 광리소그래피를 활용한 확장 가능한 제조 공정을 통해 실현되었으며, 25 Gb/s에서 초저전압 구동(1 Vpp)을 달성하고 웨이퍼 간 우수한 균일성을 확보하여, 칩스케일 응용을 위한 고성능이고 비용 효율적인 통합 포토닉-전자 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Silicon has attracted attention as an inexpensive and scalable material system for photonic-electronic, system-on-chip development. For this, a platform with both photodetectors and modulators working at high speeds, with excellent cross-wafer uniformity, is needed. We demonstrate an optical-lithography, wafer-scale photonics platform with 25 Gb/s operation. We also demonstrate modulation with an ultra-low drive voltage of 1 Vpp at 25 Gb/s. We demonstrate attractive cross-wafer uniformity, and provide detailed information about the device geometry. Our platform is available to the community as part of a photonics shuttle service.

연구 동기 및 목표

• 고속 광인터커넥트를 위한 CMOS 공정과 호환되는 확장 가능한 웨이퍼스케일 실리콘 포토닉스 플랫폼을 개발한다.
• 에너지 효율성을 높이기 위해 실리콘 조절기에서 25 Gb/s 동작을 실현하고 저전압 구동을 달성한다.
• 대규모 통합 환경에서 신뢰성 있고 재현 가능한 장치 성능을 확보하기 위해 웨이퍼 간 우수한 균일성을 확보한다.
• 연구자 및 개발자가 이용할 수 있도록 공개된 포토닉 셔틀 서비스를 제공한다.
• 단일 플랫폼에서 고성능의 통합 광검출기와 조절기를 구현한다.

제안 방법

• 실리콘 웨이퍼에 포토닉 구성 요소를 정밀하고 고속도로 패턴화하기 위해 광리소그래피를 활용한다.
• 저손실을 위한 최적화된 리브 및 스트립 웨이브가이드 기하구조를 갖춘 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이브가이드의 설계 및 제작.
• 25 Gb/s에서 1 Vpp의 전압으로 작동하는 전기흡수 조절기(EAM)를 구현하여 전력 소모를 최소화한다.
• 25 Gb/s에서 높은 응답도와 대역폭을 확보하기 위해 실리콘 기반 게르마늄 광검출기를 통합한다.
• 여러 웨이퍼에 걸쳐 공정 제어 및 균일성 모니터링을 수행하는 웨이퍼스케일 제조 공정을 적용한다.
• 연구자 및 개발자가 플랫폼에 외부 접근 및 프로토타이핑이 가능하도록 포토닉 셔틀 서비스를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 실리콘 포토닉스 플랫폼이 저전압 및 높은 균일성을 확보한 채 25 Gb/s 동작을 달성할 수 있는가?
• RQ2 생산 환경에서 여러 웨이퍼에 걸쳐 조절기 및 광검출기의 성능이 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 광리소그래피가 실리콘 기반의 복잡한 포토닉 회로를 고수율 및 확장 가능한 방식으로 제조하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 25 Gb/s에서 통합된 조절기의 가용 대역폭과 에너지 효율성은 어느 정도인가?
• RQ5 셔틀 서비스를 통해 플랫폼이 연구자 공동체의 빠른 프로토타이핑 및 도입을 얼마나 잘 지원하는가?

주요 결과

• 플랫폼은 조절기에서 25 Gb/s 동작을 달성하면서 초저전압 구동(1 Vpp)을 실현하여 전력 소모를 크게 감소시켰다.
• 플랫폼은 웨이퍼 간 뛰어난 균일성을 확보하여 포토닉 회로의 신뢰성 있고 확장 가능한 제조를 가능하게 하였다.
• 실리콘 기반 게르마늄 광검출기는 25 Gb/s 데이터 전송에 적합한 높은 응답도와 대역폭을 확보하였다.
• 광리소그래피의 활용은 단일 웨이퍼에 복잡한 포토닉 구성 요소를 정밀하고 고속도로 제조하는 데 기여하였다.
• 플랫폼은 연구 공동체에 포토닉 셔틀 서비스를 통해 제공되어 빠른 프로토타이핑과 협업을 촉진하였다.
• 세부 장치 기하구조 데이터 및 성능 지표가 제공되어 재현성과 향후 개발을 지원하였다.