[논문 리뷰] A Guide for Material and Design Choices for Electro-Optic Modulators and recent 2D-Material Silicon Modulator Demonstrations

Rubab Amin, Mario Zhizhen외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 25.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 포토닉 플랫폼에 통합된 새로운 2차원(2D) 재료인 그래핀과 전이 금속 디할라이드(TMDs)를 활용한 전기광학 모듈레이터의 재료 및 설계 선택에 대한 종합적인 가이드를 제공한다. 이는 이종 통합을 통해 실현된 에너지 효율적이고 소형화된 모듈레이터를 보여주며, ITO 기반의 맥스-젠더 모듈레이터, 그래핀 하이브리드 플라스모닉 장치, 그리고 첫 번째 TMD 기반 마이크로링 공진기 모듈레이터를 포함한다. 이는 저전력, 고속 광인터커넥트를 향한 실현 가능한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Electro-optic modulation performs a technological relevant functionality such as for communication, beam steering, or neuromorphic computing through providing the nonlinear activation function of a perceptron. Wile Silicon photonics enabled the integration and hence miniaturization of optoelectronic devices, the weak electro-optic performance of Silicon renders these modulators to be bulky and power-hungry compared to a single switch functionality known from electronics. To gain deeper insights into the physics and operation of modulators hetero-generous integration of emerging electro-optically active materials could enable separating light passive and low-loss light routing from active light manipulation. Here we discuss and review our recent work on a) fundamental performance vectors of electro-optic modulators, and b) showcase recent development of heterogeneous-integrated emerging EO materials into Si-photonics to include an ITO-based MZM, a Graphene hybrid-plasmon and the first TMD-MRR modulator using a microring resonator. Our results indicate a viable path for energy efficient and compact Silicon photonic based modulators.

연구 동기 및 목표

• 실리콘의 약한 전기광학 반응으로 인해 포토닉 통합 회로에서 소형화와 에너지 효율성이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 향상된 모듈레이터 성능을 위해 실리콘 포토닉스에 새로운 전기광학적으로 활성인 2D 재료를 이종 통합하는 것을 탐색하기 위해.
• 차세대 전기광학 모듈레이터의 재료 및 설계 선택에 대한 체계적인 가이드를 제공하기 위해.
• 실리콘 포토닉 플랫폼에서 ITO, 그래핀, TMDs를 사용한 개념 증명 장치를 구현하기 위해.
• 통신 및 뉴로모픽 컴퓨팅 분야의 응용을 위해 소형, 저에너지, 고속 광모듈레이터로 향하는 실현 가능한 길을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전기광학 모듈레이터의 기본 성능 지표인 대역폭, 에너지 효율성, 소멸비율을 평가한다.
• ITO, 그래핀, 전이 금속 디할라이드(TMDs)와 같은 재료를 실리콘 웨이브가이드와 융합하기 위해 이종 통합 기법을 활용한다.
• 전기광학 변조를 구현하기 위해 ITO 기반 위상 시프터를 탑재한 맥스-젠더 간섭계(MZI) 구성을 사용한다.
• 빛-물질 상호작용을 향상시키고 장치 면적을 줄이기 위해 그래핀을 포함한 하이브리드 플라스모닉 웨이브가이드 구조를 설계한다.
• 단일층 TMD(예: MoS2)를 사용해 양자 구속 스타크 효과를 통해 전기광학 변조를 달성하기 위해 마이크로링 공진기(MRR) 플랫폼을 활용한다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션을 실험적 구현과 융합하여 장치 성능 및 확장성의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 포토닉스에서 새로운 2D 재료와의 통합을 통해 실리콘의 약한 전기광학 반응을 어떻게 극복할 수 있는가?
• RQ2 저에너지, 소형 전기광학 모듈레이터를 달성하기 위한 최적의 재료 및 장치 설계 선택은 무엇인가?
• RQ3 실리콘 포토닉 플랫폼에 ITO, 그래핀, TMDs를 효과적으로 통합하여 효율적인 전기광학 변조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 이러한 하이브리드 구조에서 달성 가능한 성능 지표(대역폭, 에너지 효율성, 소멸비율)는 무엇인가?
• RQ5 2D 재료 기반 모듈레이터를 활용한 에너지 효율적인 광인터커넥트로 향하는 확장 가능하고 실용적인 길이 존재하는가?

주요 결과

• 저손실 및 고전기광학 효율성을 확보한 ITO 기반 맥스-젠더 모듈레이터가 구현되어 소형 및 저에너지 작동이 가능해졌다.
• 그래핀 하이브리드 플라스모닉 모듈레이터는 강력한 빛-물질 상호작용과 1μm 이하의 장치 면적을 확보하여 저에너지 소비로 고속 변조가 가능했다.
• 단일층 전이 금속 디할라이드를 사용한 TMD 기반 마이크로링 공진기(MRR) 모듈레이터의 실험적 최초 구현이 이루어졌으며, 스타크 효과를 통한 명확한 전기광학 테이닝이 관찰되었다.
• 모듈레이터는 높은 소멸비율과 낮은 크로스톾크를 보였으며, 포토닉 통합 회로에의 통합 잠재력이 높음을 시사했다.
• 2D 재료의 실리콘 포토닉스 통합은 장치 면적과 비트당 에너지 소비를 크게 감소시켜 전자 스위치 수준의 성능에 도달할 수 있었다.
• 결과적으로, 통신 및 뉴로모픽 컴퓨팅 분야의 차세대 광인터커넥트를 향한 확장 가능하고 에너지 효율적인 길이 검증되었다.