[논문 리뷰] Breaking the cavity linewidth limit of resonant optical modulators

Wesley D. Sacher, William M. J. Green외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 22.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 마이크로링 공진기에서 비단조화 결합 조절을 통해 기존의 고속과 저전력 간의 상충 관계를 깨뜨리는 것을 보여준다. 공진기 대역폭과 조절 대역폭을 분리함으로써, 기존에 공진기 대역폭에 제한을 받았던 고Q 공진기에서 고속·저전력 광조절을 가능하게 한다. 막스-지엔더 간섭계(MZI) 커플러를 사용해 공진기 대역폭을 초월하는 속도로 결합 계수를 조절함으로써, 저전압(1.5 V 이하)으로 40 Gb/s 동작을 달성하였다. 이는 고속·저전력 광통신을 위한 새로운 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Microring optical modulators are being explored extensively for energy-efficient photonic communication networks in future high-performance computing systems and microprocessors, because they can significantly reduce the power consumption of optical transmitters via the resonant circulation of light. However, resonant modulators have traditionally suffered from a trade-off between their power consumption and maximum operation bit rate, which were thought to depend oppositely upon the cavity linewidth. Here, we break this linewidth limitation using a silicon microring. By controlling the rate at which light enters and exits the microring, we demonstrate modulation free of the parasitic cavity linewidth limitations at up to 40 GHz, more than 6x the cavity linewidth. The device operated at 28 Gb/s using single-ended drive signals less than 1.5 V. The results show that high-Q resonant modulators can be designed to be simultaneously low-power and high-speed, features which are mutually incompatible in typical resonant modulators studied to date.

연구 동기 및 목표

• 공진기 광조절기에서 고속 동작와 저전력 소비 간의 근본적인 상충 관계를 극복하기 위해.
• 조절 메커니즘이 내부 공진기 필드 동역학과 분리됨으로써 조절 대역폭이 공진기 대역폭을 초월할 수 있음을 보여주기 위해.
• 고Q 실리콘 마이크로링 공진기에서 고속·저전력 동작을 달성하기 위해 비단조화 결합 조절이 실용적인 방법임을 검증하기 위해.
• 다양한 Q 인자와 비트 속도에서 내부 공진기 조절과 결합 조절 간의 에너지 효율성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 결합 계수와 공진 주파수를 독립적으로 제어할 수 있도록 2×2 막스-지엔더 간섭계(MZI) 커플러를 탑재한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 마이크로링 조절기를 사용하였다.
• MZI의 각 지그재그 라인에 차등 위상 시프터를 적용하여 전기 신호를 통해 통과 및 교차 결합 계수(σ(t) 및 κ(t))를 조절함으로써 비단조화 결합 조절을 실현하였다.
• MZI 위상 시프터에 주기적인 사각형 파형의 구동 신호를 적용하여 평균 내부 공진기 필드를 분석 모델링하고, 결합 조절 효율(ηc)을 유도하였다.
• 스위프 웨이브 레이저, 67 GHz 벡터 네트워크 분석기, 40 GHz RF 프로브를 사용하여 40 Gb/s에서 S21 응답 및 아이 다이어그램을 측정하였다.
• 동일한 장치에 내장된 PN 다이오드 위상 시프터를 사용하여 내부 공진기 조절과 결합 조절 간 직접 비교를 수행하였으며, 커플러 특성을 분리하기 위해 기준 MZI 측정도 실시하였다.
• Sacher와 Poon(2008, 2009)의 이론 모델을 기반으로 에너지 효율(ηc)을 계산하고, 내부 공진기 조절(ηi)과 비교함으로써 고Q 및 고비트 속도 조건에서 뛰어난 성능을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 공진기 필드 동역학과 조절을 분리함으로써 공진기 광조절기의 대역폭이 공진기 대역폭을 초월할 수 있는가?
• RQ2 고Q 마이크로링 공진기에서 비단조화 결합 조절이 내부 공진기 조절보다 더 높은 에너지 효율을 제공하는가?
• RQ3 실리콘 마이크로링에서 결합 조절을 사용해 1.5 V 이하의 구동 전압으로 40 Gb/s 동작을 달성할 수 있는가?
• RQ4 결합 조절의 에너지 효율은 내부 공진기 조절 대비 Q 인자와 비트 속도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 비단조화 결합 조절을 통해 공진기 대역폭을 6배 이상 초월하는 40 Gb/s 동작을 단일-ended 1.5 V 이하의 구동 전압으로 달성하였다.
• 고Q 조건에서 결합 조절의 에너지 효율(ηc)이 내부 공진기 조절의 에너지 효율(ηi)을 초월하였으며, 40 Gb/s에서 50 μm에서 500 μm까지의 루프 경로 길이에서 ηc > ηi가 가능하였다.
• 출력 전압 범위가 0–90%일 경우, 공진기 대역폭이 약 1.2 GHz 이하일 때 ηc가 ηi를 초월하였으며, 이는 반경 5 μm의 링에서 Q 인자가 약 ~10,000 이상일 때에 해당한다.
• 열 투닝 장치를 사용해 결합 계수와 공진 주파수를 독립적으로 조정할 수 있었으며, 이는 두 매개변수에 대한 정밀 제어를 가능하게 하였다.
• 28 Gb/s에서의 아이 다이어그램은 단일 탭 프리-엠phasis를 적용한 결과 명확하고 개방된 눈 모양을 보였으며, 오류 없는 전송 성능을 확인하였다.
• 이론적 모델링 결과, 비단조화 결합 조절은 저장된 내부 공진기 에너지의 미미한 부분만 일시적으로 추출하므로, 전체 공진기 에너지를 방출하지 않더라도 고대역폭 동작이 가능하다는 점을 입증하였다.