[논문 리뷰] Active-cavity photonic molecule optical data wavelength converter for silicon photonics platforms

Hayk Gevorgyan, Anatol Khilo외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 11.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저전압 RF 드라이브 신호를 사용하여 효율적인 온칩 광신호 파장 변환을 가능하게 하는, CMOS 호환성과 전기적 구동 방식을 갖춘 실리콘 나노광학에서의 활성 캐비티 광분자 파장 변환기를 구현한다. 24 GHz 파장 이동에 대해 최대 -13 dB의 변환 효율과 6 GHz 대역폭을 달성하였으며, 56 GHz 이동에 대해서는 -18 dB의 효율과 4.8 GHz 대역폭을 확보하였다. 외부 광학적 또는 고출력 RF 펌프 없이도 4 Gbps NRZ 광신호 데이터를 성공적으로 변환하였다.

ABSTRACT

We demonstrate an optical data wavelength converter based on an electrically driven photonic molecule structure comprising two coupled active silicon microring resonators. The converter, supplied by a continuous-wave (CW) microwave drive signal equal in frequency to the desired wavelength shift, replicates an input optical signal at a new wavelength. The optical coupled-cavity system matches supermode resonances to the input and wavelength-converted optical waves maximizing the conversion efficiency. Two device designs that perform wavelength up- and down-conversion by 0.19 nm (24 GHz) with -13 dB conversion efficiency and 6 GHz bandwidth; and by 0.45 nm (56 GHz) with -18 dB efficiency and 5 GHz bandwidth are demonstrated. A 4 Gbps non-return-to-zero (NRZ) optical data stream is shifted in wavelength and successfully recovered. This architecture accepts CMOS-level RF drive voltages and can be integrated in monolithic CMOS electronic-photonic platforms with a simple signal source circuit as part of a self-contained subsystem on chip that generates and carries out the wavelength conversion, requiring no high-frequency (optical or electrical) and high-power external pump input to the chip. This type of device may become a new standard element in the component libraries of silicon and CMOS photonics processes.

연구 동기 및 목표

• 고출력 광학 펌프에 의존하지 않는 저전력, 온칩 광학 파장 변환기를 실리콘 나노광학 분야에 개발하기 위해.
• 단일 캐비티 모듈레이터의 효율 감소 문제를 극복하기 위해 결합된 활성 마이크로링 공진기 구조를 사용함으로써 효율적인 파장 변환을 달성하기 위해.
• 단지 CMOS 수준의 RF 드라이브 전압만을 사용하여 고효율의 이중 방향 파장 변환(상향 및 하향 변환)을 가능하게 하기 위해.
• 전자 회로와의 단일 칩 내 단일화 통합을 통해 외부 고주파수 또는 고출력 입력 없이 자체적으로 작동하는 시스템을 설계하기 위해.
• 파장 분할 다중화 기반 신호 처리를 가능하게 하는 새로운 구성 요소를 실리콘 및 CMOS 광학 공정 설계 키트(PDK)에 통합하기 위해.

제안 방법

• 장치는 대칭 및 반대칭 초모드를 형성하는 두 개의 전기적으로 구동되는 결합된 활성 실리콘 마이크로링 공진기를 포함하는 광분자로 구성된다.
• 24 GHz 또는 56 GHz의 RF 신호를 통해 전기적 변조가 이루어지며, 이는 초모드 간의 주파수 이동을 유도하고 입력 신호를 새로운 파장으로 이동시킨다.
• 시스템은 입력 신호가 하나의 초모드를 자극하고, RF 드라이브가 다른 초모드로 에너지를 전달함으로써 효율적인 파장 변환을 가능하게 하도록 설계되었다.
• 이론적 모델링은 변환 효율을 예측하기 위해 결합 모드 이론 프레임워크를 사용하였으며, 응답은 2차 주파수 이동 필터와 유사하다.
• 변환기는 -1.5 V DC 편향과 목표 주파수에서 4 V 피크-피크 RF 신호를 사용하여 위상 변조 및 공진 주파수 조정을 달성한다.
• CMOS 전자회로와의 온칩 통합을 통해 단지 DC 전원과 온칩 RF 신호 생성만으로도 자체적으로 작동할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노광학에서 이중 활성 캐비티 광분자 구조가 외부 광학 펌프 없이도 효율적이고 저전력의 광학 파장 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 두 개의 활성 마이크로링 공진기 간의 결합은 어떻게 고효율과 넓은 대역폭을 갖는 이중 방향 파장 변환을 가능하게 하는가?
• RQ3 CMOS 호환성 있는 RF 드라이브 신호와 온칩 신호 생성을 통해 변환 효율과 대역폭을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이러한 장치는 전자 회로와 단일 칩 내에서 단일화 통합되어 외부 고주파수 또는 고출력 입력 없이 자체적으로 작동하는 서브시스템을 형성할 수 있는가?
• RQ5 이 아키텍처에서 도달 가능한 최대 데이터 전송 속도는 얼마이며, 외부 필터링 및 장치의 대역폭에 의해 어떤 제약을 받는가?

주요 결과

• 24 GHz 이동(±0.19 nm)에 대해 -13 dB의 변환 효율과 6 GHz 대역폭, 56 GHz 이동(±0.45 nm)에 대해 -18 dB의 효율과 4.8 GHz 대역폭을 달성하였다.
• 4 Gbps 비복귀 제로(NRZ) 광신호 스트림이 성공적으로 파장 이동 및 복원되었으며, 아이 다이어그램을 통해 신호 무결성이 확인되었다.
• 장치는 양방향 작동을 지원하며, 한 방향에서는 상향 변환, 반대 방향에서는 하향 변환을 동일한 효율로 수행할 수 있다.
• 단일 캐비티 모듈레이터보다 변환 효율이 15–50 dB 높으며, 광자 수명 주기 제한에 기인한 효율 감소 문제를 해결하였다.
• 외부 고주파수 또는 고출력 광학 입력 없이도 단지 CMOS 수준의 RF 드라이브 전압과 DC 전원만으로도 장치가 작동한다.
• 결합 모드 이론에 기반한 이론적 모델은 측정된 변환 효율과 응답 형태를 정확히 예측하여 설계 접근법의 타당성을 입증하였다.