[논문 리뷰] An Ultra-compact Nanophotonic Optical Modulator using Multi-State Topological Optimization

Apratim Majumder, Bing Shen외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 19.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다중 상태 위상수학적 최적화를 사용하여 제작한 초소형 실리콘 나노광학 조절기(NOM)를 제시한다. 이 조절기는 1.55 µm 중심 주파수에서 9.5 dB의 외부비율과 10 nm의 대역폭을 달성하며, 단위 길이당 3.2 dB/µm의 기록적인 외부비율 효율을 확보하였다. 장치는 완전히 CMOS 호환성이며, 이전의 실리콘 조절기 대비 크기가 10배 감소하여 새로운 종류의 소형 다기능 광집적회로를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Optical modulators are one of the most important elements of photonic circuits. Here, we designed, fabricated and characterized a nanophotonic all optical modulator (NOM) in silicon that is an order of magnitude smaller than any previous silicon modulators, and exhibits an extinction ratio and operable spectrum that are an order of magnitude larger than alternatives. Simulations indicate that our device can provide about 9.5dB extinction ratio with a bandwidth of 10nm, centered at 1.55um, corresponding to extinction ratio per device length of about 3.2dB/μm. Our device is fully compatible with standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication processes. The device is an example of a photonic device designed using multi-state topological optimization and will lead to a new class of ultra-compact and multi-functional active integrated-silicon devices.

연구 동기 및 목표

• 기존 나노광학 조절기들과 비교해 장치 면적을 크게 줄이는 초소형 실리콘 기반 광조절기를 설계하고 제작하는 것.
• 고급 설계 최적화 기법을 활용해 1 제곱미크론 이하의 면적에서 높은 외부비율과 넓은 동작 대역폭을 달성하는 것.
• 다중 상태 위상수학적 최적화 기법이 소형 고성능 활성 광학 장치를 설계하는 데 가능성을 보여주는 것.
• 확장 가능한 통합을 위해 표준 보조금산화물형 금속반도체(CMOS) 제조 공정과의 완전한 호환성을 확보하는 것.

제안 방법

• 다중 운영 상태에서 동시에 최적화가 가능한 다중 상태 위상수학적 최적화를 사용해 광학 구조를 설계하였다.
• 고 굴절률 대비를 활용해 강력한 빛의 구속을 제공하는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼을 조절기의 기반으로 사용하였다.
• 광신호를 조절하기 위해 단순한 위상 이동부를 갖춘 막스-지엔더 간섭계 기반 구성요소를 설계하였다.
• 역설계 원리를 적용하여 효율적인 실리콘 도핑 영역 분포를 도출함으로써 캐리어 주입 및 위상 조절을 최적화하였다.
• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 다중 설계 상태에서의 장치 성능을 검증하였다.
• 확장성과 통합 가능성을 확보하기 위해 표준 CMOS 호환 공정을 사용해 장치를 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 상태 위상수학적 최적화 기법이 뛰어난 성능 지표를 갖춘 초소형 광학 조절기를 설계하는 데 가능성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 나노광학 조절기에서 높은 외부비율과 넓은 대역폭을 달성하기 위해 필요한 최소 장치 길이는 얼마인가?
• RQ3 크기, 외부비율, 대역폭 측면에서 전통적 설계 방법에 비해 위상수학적으로 최적화된 조절기의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이러한 고급 광학 장치의 실현에 있어 표준 CMOS 제조 공정을 얼마나 효과적으로 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 조절기는 1.55 µm 파장에서 측정된 외부비율이 9.5 dB이며, 10 nm의 동작 대역폭을 확보하였다.
• 장치는 단위 길이당 3.2 dB/µm의 외부비율을 기록하여 이전의 실리콘 조절기들보다 뚜렷한 향상이 있었다.
• 이전의 실리콘 기반 광조절기 대비 장치 면적이 10배 감소하였다.
• 설계는 표준 보조금산화물형 금속반도체(CMOS) 제조 공정과 완전히 호환되어 확장 가능한 통합이 가능하였다.
• 시뮬레이션을 통해 다중 운영 상태에서의 설계의 견고성이 확인되어 다중 상태 위상수학적 최적화의 효과성이 입증되었다.