[논문 리뷰] A compact plasmonic MOS-based 2x2 electro-optic switch

Chenran Ye, Ke Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 08.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터(Insulator) 통합에 적합한 초고속·저에너지 fJ/bit 동작을 가능하게 하는, 인듐 주철 산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)을 활성 웨이브가이드 재료로 사용한 플라스모닉 금속-산화물-반도체(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS) 구조를 기반으로 하는 소형 2x2 전기광학 스위치를 제시한다. ITO에 게이팅 전압를 인가하여 플라즈마 주파수를 이동시킴으로써 굴절률을 변조함으로써, 횡자기(TM) 편광된 빛을 CROSS 및 BAR 출력 포트 간에 동적 제어할 수 있으며, 각각 CROSS 상태에서 18 dB, BAR 상태에서 7 dB의 고역반전비(extinction ratio)를 달성하였다. 이는 초고속·저에너지 fJ/bit 동작을 실현한 것으로, 실리콘 기반 통합 광학 회로에 적합하다.

ABSTRACT

We report on a three-waveguide electro-optic switch for compact photonic integrated circuits and data routing applications. The device features a plasmonic metal-oxide-semiconductor (MOS) mode for enhanced light-matter-interactions. The switching mechanism originates from a capacitor-like design where the refractive index of the active medium, Indium-Tin-Oxide, is altered via shifting the plasma frequency due to carrier accumulation inside the waveguide-based MOS structure. This light manipulation mechanism controls the transmission direction of transverse magnetic polarized light into either a CROSS or BAR waveguide port. The extinction ratio of 18 dB (7) dB for the CROSS (BAR) state, respectively, is achieved via a gating voltage bias. The ultrafast broadband fJ/bit device allows for seamless integration with Siliconon- Insulator platforms to for low-cost manufacturing.

연구 동기 및 목표

• 광학 통합 회로 및 데이터 라우팅을 위한 소형·저에너지 전기광학 스위치 개발
• 표면 플라즈몬 폴리톤(Surface Plasmon Polaritons)을 이용한 미니어처라이즈된 웨이브가이드 구조 내에서의 빛-물질 상호작용 향상
• ITO 기반 MOS 구조에서의 실리콘 주입에 의한 굴절률 변조를 통한 TM 편광 빛의 동적 제어 가능화
• 실리콘 온 인슐레이터(Insulator) 플랫폼과의 호환성을 고려한 고역반전비 및 초고속 전환과 함께 저에너지 소비를 실현
• 기존 CMOS 호환 광학 기술과의 원활한 통합 잠재력 입증

제안 방법

• 중앙에 ITO 기반 웨이브가이드를 포함한 세 웨이브가이드 구성 구조를 채택하며, 이는 커패시터 유사 MOS 구조를 형성한다.
• ITO에 게이팅 전압를 인가하여 실리콘 내에 실리콘을 축적시킴으로써, 플라즈마 주파수를 이동시키고 웨이브가이드 모드의 효과적 굴절률을 변화시킨다.
• 굴절률 변조는 두 출력 포트(CROSS 및 BAR) 간의 위상 및 전력 분포를 동적으로 제어할 수 있게 한다.
• 플라스모닉 모드는 ITO-실리콘 인터페이스에서 빛을 밀도 있게 봉인함으로써, 빛-물질 상호작용을 강화하고, 파장 이하의 소자 크기를 가능하게 한다.
• 스위칭 메커니즘은 ITO 층 내 실리콘 축적에 기반하며, 이는 유전율 응답을 변화시켜 유도된 모드의 전파 상수를 변화시킨다.
• 소자 설계는 실리콘 온 인슐레이터(Silicon-on-Insulator, SOI) 플랫폼과 호환되도록 하여, 저비용·확장 가능한 제조 공정과의 통합을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ITO 내 플라스모닉 MOS 구조가 통합 광학 회로를 위한 효율적이고 소형 전기광학 전환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 ITO 내 실리콘 유도 굴절률 조절이 2x2 스위치에서 고역반전비를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ3 에너지 당 비트 수준(fJ/bit)에서의 스위칭 메커니즘의 에너지 효율성은 어떠한가?
• RQ4 CMOS 호환 플랫폼에서 소자 크기 및 작동 파장에 따라 성능이 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 플라스모닉 MOS 구조는 최소한의 크로스톺 및 낮은 광학 손실을 동반한 초고속 스위칭을 가능하게 하는가?

주요 결과

• CROSS 상태에서 18 dB, BAR 상태에서 7 dB의 고역반전비를 달성하여 효과적인 스위칭 성능을 입증하였다.
• 초저에너지 소비로 작동하는 스위칭 메커니즘은 고속 데이터 통신에 적합한 fJ/bit 수준의 에너지 효율성을 확보하였다.
• 플라스모닉 MOS 구조는 강력한 빛 봉인 및 향상된 빛-물질 상호작용을 가능하게 하여, 파장 이하의 소자 치수를 실현하였다.
• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼과 호환되어, 기존 CMOS 제조 공정과의 저비용·확장 가능한 통합이 가능하다.
• 스위칭은 ITO 층 내 실리콘 축적에 기반하며, 이는 플라즈마 주파수를 조절하고, 결과적으로 활성 웨이브가이드의 굴절률을 변화시킨다.
• 디자인은 적용된 게이팅 전압에 의해 선택된 출력 포트를 제어할 수 있는 TM 편광 빛의 동적 제어를 지원한다.