[논문 리뷰] Electronic-photonic circuit crossings

Babak Vosoughi Lahijani, Marcus Albrechtsen외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 29.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일층 구조의 전자-광학 회로 교차(EPCC)를 제안하며, 위상 최적화를 통해 20 nm의 분리 간격에서 99.8%의 광학적 투과율을 달성한다. 이는 전기적, 광학적, 기계적 신호가 한 층에 공존하는 완전 통합형 나노전자기계 광스위치를 가능하게 하며, 이는 이전의 다층 구조에서의 한계를 극복하고 복잡한 광-전기-기계 시스템에서 손실 없는 신호 루팅을 실현한다.

ABSTRACT

Electrical control of light in integrated photonics is central to a wide range of research and applications. It is conventionally achieved with thermo-optic tuning, but this suffers from high energy consumption and crosstalk. Nanoelectromechanical photonics could resolve these issues, but integrating this technology with conventional multilayer metal architectures is challenging, and conventional approaches do not allow crossings of electrical wires and photonic waveguides. Here, we use topology optimization to devise a single-layer electronic-photonic circuit crossing with up to 99.8 % optical transmission across a 20 nm electrical isolation trench. We focus our experiments on 100 nm trenches and measure an average transmission of 92.9 % over a 100 nm bandwidth, in excellent agreement with theory. We use these concepts to demonstrate a monolithic silicon nanoelectromechanical add-drop switch in which the flow of photons, electrons, and mechanical motions are fully integrated within the same layer. Our work addresses an important challenge in incorporating opto-electro-mechanical topologies into photonic integrated circuits and may lead to new functionalities in nano-opto-electro-mechanical systems, optomechanics, and integrated quantum photonics.

연구 동기 및 목표

• 통합 칩에서 전자 회로와 광학 회로의 루팅 간 기본적인 불일치를 해결하기 위해 전기선과 광학 웨이브가이드의 직접 교차를 단일 층에서 가능하게 한다.
• 회로 크기의 증가에 따라 공정 복잡도가 초선형적으로 증가하는 다층 구조의 필요성을 제거한다.
• 역설계 및 위상 최적화를 활용하여 단일 장치 층에서 동시에 높은 광학적 투과율과 전기적 분리 성능을 달성한다.
• 전자기계적 작동을 포함한 나노전기기 스위치를 단일 리소그래피 공정으로 완전히 통합한 단일층 실리콘 나노전자기계 추가-드롭 스위치를 구현한다.
• 기본적인 수준에서 교차 문제를 해결함으로써 나노광-전기-기계 시스템(NOEMS), 양자 광학, 광인터커넥트 분야에서 새로운 구조를 가능하게 한다.

제안 방법

• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에서 240 nm 두께의 장치 층을 사용하여 단일층 전자-광학 회로 교차(EPCC)를 위상 최적화를 통해 설계한다.
• 고립 틈새를 둘러싸는 스텝형 실리콘 브릿지 구조를 설계하여 전기적 경로를 분리된 틈새를 넘어 연결하면서도 광학 웨이브가이드의 광학 연속성을 유지한다.
• 1550 nm에서 최대 투과율과 최소 반사율을 확보하기 위해 유한요소 시뮬레이션을 활용하여 기하구조를 최적화한다. 이때 광학 손실과 커플링을 최소화하는 데 중점을 둔다.
• EPCC를 전기적 인터커넥트이자 광학 웨이브가이드로 기능하게 하며, 고립 틈새가 전기적 및 열적 분리 기능을 수행하도록 설계한다.
• 수치 시뮬레이션과 스캐닝 전자현미경 및 다크필드 영상 기반 실험 캐릭터라이제이션을 통해 설계를 검증한다. 2×2 전기기계적 추가-드롭 스위치 네트워크를 활용한다.
• 더 큰 네트워크의 경우 더 작은 그러나 실현 가능한 간격을 허용함으로써 대역폭 제약를 완화하고, 수백 개의 EPCC를 누적 투과율 >99.8%로 스케일러블 통합을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 통합 장치가 전기선과 광학 웨이브가이드 간의 교차에서 동시에 높은 광학적 투과율과 전기적 분리를 달성할 수 있는가?
• RQ2 위상 최적화는 다층 공정 없이도 단일 장치 층에서 전기적 및 광학적 기능을 공동 설계하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 전기적 분리와 기계적 유연성을 유지하면서도 전자-광학 교차에서 달성 가능한 최대 광학적 투과율은 얼마인가?
• RQ4 이러한 교차는 나노전자기계 스위치를 전자, 광자, 기계 운동 경로를 모두 제어 가능한 방식으로 단일 모놀리식 구조로 통합할 수 있는가?
• RQ5 EPCC는 다양한 간격 크기에서 어떻게 성능을 보이며, 이는 복잡한 광-전기-기계 회로의 스케일링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적화된 EPCC는 20 nm 고립 간격에서 1550 nm에서 최대 광학적 투과율 99.8%를 달성하였으며, 35 nm 대역폭 동안 99% 이상의 투과율 유지.
• 100 nm 간격에서는 투과율 99.6%, 60 nm 간격에서는 99.7%를 기록하여 간격 감소에 따라 투과율 증가 경향을 명확히 보였다.
• 실험적 투과 스펙트럼이 수치 시뮬레이션과 높은 정밀도로 일치하여 역설계 접근법의 강건성과 정확성을 확인하였다.
• 모놀리식 2×2 추가-드롭 스위치는 명확한 전압 제어 스위칭 동작을 보였으며, 통과 및 드롭 포트의 투과율이 액추에이터 전압에 따라 예측 가능하게 변화하였다.
• N개의 EPCC의 누적 투과율은 T^N으로 스케일링되며, 이는 수백 개의 교차에서 삽입 손실 3 dB 이하로 유지되어 복잡한 저손실 회로를 가능하게 한다.
• EPCC 설계는 GaAs 및 InP와 같은 다른 반도체 플랫폼으로도 확장 가능하여 통합 광학 회로에서 양자 발광체의 독립적 전기 제어를 가능하게 한다.