[논문 리뷰] Monolithically integrated multiple wavelength oscillator on silicon

Jacob S. Levy, Alexander Gondarenko외 4명|ArXiv.org|2009. 07. 06.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 나노막대 레이저를 이용한 실리콘 기반의 단일 구조체로 통합된, CMOS 호환성 있는 다중 파장 소스를 처음으로 제시한다. 실리콘 질화물 미크로링 공진기와 통합된 파손파이프를 통해 광학적 비선형 진동자(OPO)를 형성한 것으로, 50 mW 미만의 펌프 전력으로 수십 나노미터 간격으로 100개 이상의 새로운 파장을 생성하여, 차세대 다코어 프로세서를 위한 고대역폭, 온칩 WDM 광통신 네트워크를 실현한다.

ABSTRACT

Silicon photonics enables on-chip ultra-high bandwidth optical communications networks which is critical for the future of microelectronics1,2. By encoding information on-chip using multiple wavelength channels through the process of wavelength division multiplexing (WDM), communication bandwidths in excess of 1 Tbit s-1 are possible3. Already several optical components critical to WDM networks have been demonstrated in silicon, however a fully integrated multiple wavelength source capable of driving such a network has not yet been realized. Optical amplification, a necessary component for producing a source, can be achieved in silicon through stimulated Raman scattering4,5, parametric mixing6, and the use of silicon nanocrystals7 or nanopatterned silicon8. Losses in most of these previously demonstrated devices have prevented oscillations in those structures. Raman oscillators have been demonstrated9-11, but the narrow Raman gain window limits operation to a tightly restricted (~ 1 nm) wavelength range and thus is insufficient for WDM. Losses in other previously demonstrated devices have prevented oscillations in those structures. Here we demonstrate the first monolithically integrated CMOS-compatible multiple wavelength source by creating an optical parametric oscillator (OPO) formed by a silicon nitride ring resonator on silicon coupled to an integrated waveguide. The device can generate more than 100 new wavelengths, spaced by a few nm, with operating powers below 50 mW. This source can form the backbone of a fully operational high-bandwidth optical communications network on a microelectronic chip enabling the next generation of multi-core microprocessors.

연구 동기 및 목표

• 온칩 광통신을 위한 완전히 통합된, CMOS 호환성 있는 다중 파장 소스를 개발하기 위해.
• 이전의 실리콘 기반 소스의 한계, 즉 좁은 증폭 대역폭이나 진동을 방해하는 높은 손실을 극복하기 위해.
• 마이크로전자 칩 상에서 고용량, 파장 분할 다중화(WDM) 기반 광 인터커넥트를 실현하기 위해.
• 다코어 프로세서 아키텍처에 통합 가능한 확장 가능하고 저전력 소스를 시연하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 기반 기판 위에 통합된 실리콘 질화물 미크로링 공진기를 사용하여 광학적 비선형 진동을 실현한다.
• 단일 파장의 펌프 레이저를 파손파이프에 입력하여 레이저 공진기를 자극함으로써, 네파장 혼합을 통해 다수의 새로운 파장을 생성한다.
• 공진기는 위상 일치된 비선형 과정을 지원하도록 설계되어 넓은 대역폭에서 효율적인 파장 변환을 가능하게 한다.
• 표준 CMOS 호환 공정을 사용하여 제작되어 기존 마이크로전자 플랫폼과의 호환성을 확보한다.
• 펌프 전력이 50 mW 이하로 작동하여 저에너지 작동이 가능하다.
• 출력 스펙트럼을 측정하여 수십 나노미터 간격으로 100개 이상의 새로운 파장을 생성한 것을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에서 실리콘 질화물 파손파이프를 사용하여 단일 구조체로 통합된 광학적 비선형 진동자를 실현할 수 있는가?
• RQ2 단일 통합 장치에서 낮은 펌프 전력으로 생성할 수 있는 최대 신규 파장 수는 얼마인가?
• RQ3 이러한 소스는 실용적인 WDM 기반 온칩 광 인터커넥트에 필요한 충분한 스펙트럼 대역폭과 채널 간격을 확보할 수 있는가?
• RQ4 대역폭과 전력 효율성 측면에서 이전의 라만 또는 기타 비선형 소스와 비교해 볼 때 장치 성능은 어떠한가?
• RQ5 표준 CMOS 제조 공정과의 호환성이 있어 확장 가능한 통합이 가능한가?

주요 결과

• 장치는 단일 통합 구조에서 광학적 비선형 진동을 통해 100개 이상의 새로운 파장을 성공적으로 생성함을 입증하였다.
• 생성된 파장은 수십 나노미터 간격으로 분포되어 있어 고밀도 파장 분할 다중화(WDM) 응용에 적합하다.
• 펌프 전력이 50 mW 이하로 작동하여 온칩 통합에 적합한 낮은 에너지 소비를 나타낸다.
• CMOS 호환 공정을 사용하여 실리콘 기반으로 단일 구조체로 통합되어 있어 확장성과 기존 마이크로전자 기술과의 호환성이 확보된다.
• 실리콘 질화물 미크로링 공진기를 사용함으로써 위상 일치된 네파장 혼합이 효율적으로 이루어져 이전의 유사 장치에서 발생했던 손실 문제로 인한 진동을 방지할 수 있었다.
• 시연된 소스는 실리콘 기반에서 처음으로 완전히 통합된 다중 파장 진동자로, 온칩 광망의 핵심 구성 요소를 형성한다.