[논문 리뷰] New-generation silicon photonics beyond the singlemode regime

Long Zhang, Shihan Hong외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 09.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 47인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 넓어진 실리콘 코어(2–3 μm)를 가진 다중모드 파손에서 저손실, 저교차 간섭을 실현함으로써 실리콘 포토닉스의 새로운 패러다임을 제안한다. 특별한 제조 공정 없이도 초저손실인 약 0.1 dB/cm의 전파 손실을 달성하였으며, 표준 220-nm SOI MPW 공정을 활용하여 마이크로 레이서트랙 공진기에서 기록적인 내재 Q 인자 1.02×10⁷를 입증하고, 약 0.14 dB/cm 손실을 가진 100cm 길이의 온칩 지연선을 실현하였다. 이는 고성능 마이크로파 포토닉 필터 및 단일모드 영역을 초월한 대규모 포토닉 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The singlemode condition is one of the most important design rules for optical waveguides in guided-wave optics. The reason following the singlemode condition is that higher-order modes might be excited and thus introduce some undesired mode-mismatching loss as well as inter-mode crosstalk when light propagates along an optical waveguide beyond the singlemode regime. As a result, multimode photonic waveguides are usually not allowed. In this paper, we propose the concept of silicon photonics beyond the singlemode regime, developed with low-loss and low-crosstalk light propagation in multimode photonic waveguides with broadened silicon cores. In particular, silicon photonic waveguides with a broadened core region have shown an ultra-low-loss of ~0.1 dB/cm for the fundamental mode even without any special fabrication process. A micro-racetrack resonator fabricated with standard 220-nm-SOI MPW-foundry processes shows a record intrinsic Q-factor as high as 1.02*107 for the first time, corresponding to ultra-low waveguide propagation loss of only 0.065 dB/cm. A high-performance microwave photonic filter on silicon is then realized with an ultra-narrow 3-dB bandwidth of 20.6 MHz as well as a tuning range of ~20 GHz for the first time. An on-chip 100-cm-long delayline is also demonstrated by using the present broadened SOI photonic waveguides with compact Euler-curve bends, the measured propagation loss is ~0.14 dB/cm. The proposed concept of silicon photonics beyond the singlemode regime helps solve the issue of high propagation loss and also significantly reduces the random phase errors of light due to the random variations of waveguide dimensions. In particularity it enables silicon photonic devices with enhanced performances, which paves the way for new-generation silicon photonics realizing the large-scale photonic integration.

연구 동기 및 목표

• 기존 단일모드 실리콘 포토닉스 파손의 한계를 극복하기 위해, 높은 전파 손실과 대규모 통합과의 호환성 문제를 해결하고자 한다.
• 표준 450-nm 폭의 SOI 파손에서 발생하는 높은 파손 손실(~1–2 dB/cm)이 장경로 및 고Q 장치의 성능을 제한하는 문제를 해결하고자 한다.
• 비표준 또는 특수 제조 공정을 요구하지 않고도 초고Q 인자 공진기와 저손실 장지연선을 실현하고자 한다.
• 단일모드 영역을 초월해 실리콘 코어를 넓힘으로써 전파 손실을 감소시키고 제조 공정의 변동에 의한 무작위 위상 오차를 최소화할 수 있음을 입증하고자 한다.
• 표준 공급업체 공정을 사용하는 확장 가능한 CMOS 호환 플랫폼을 구축하여 차세대 대규모 포토닉 집적 회로(PIC)를 실현하고자 한다.

제안 방법

• 단일모드 영역을 초월해 작동하도록 핵심 폭 2–3 μm의 실리콘 포토닉스 파손을 설계하여 기본 모드 전파 손실을 감소시킨다.
• 특수 후처리 공정 없이 깊은 우레탄 빛각 및 인덕티브 커플링 플라즈마 건식 에칭을 활용한 표준 220-nm SOI MPW 공정을 사용하여 제조한다.
• 저손실 및 최소한의 복사 손실과 굴절 손실을 갖는 장지연선의 밀집 루팅을 가능하게 하기 위해 컴act한 90° 유러 곡선 굴절(МWB)을 구현한다.
• 표준 공정을 사용해 220-nm SOI 플랫폼에 마이크로 레이서트랙 공진기를 제조하여 내재 Q 인자를 1.02×10⁷로 달성하였으며, 이는 파손 전파 손실 0.065 dB/cm에 해당한다.
• 초고Q 공진기를 마이크로파 포토닉 필터에 통합하여 초우수한 3-dB 대역폭 20.6 MHz와 약 20 GHz의 조절 범위를 확보하였다.
• ASE 소스와 광스펙트럼분석기(OSA)를 사용해 비교를 위해 100cm 길이와 10cm 길이의 지연선에서 전파 손실을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비표준 제조 공정 없이 단일모드 영역을 초월한 실리콘 포토닉스 파손에서 초저손실 전파를 달성할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 코어를 넓힘으로써 기본 모드 손실은 얼마나 감소하고, 마이크로 공진기의 Q 인자는 얼마나 향상되는가?
• RQ3 표준 제조 공정을 사용해 100cm 길이의 저손실 및 밀집형 온칩 지연선을 실현할 수 있는가?
• RQ4 고Q 공진기를 기반으로 한 마이크로파 포토닉 필터의 성능은 기존 최첨단 장치 대비 대역폭과 조절 가능성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 단일모드 영역을 초월해 운영할 경우, 파손 치수의 제조 변동에 의한 무작위 위상 오차는 얼마나 감소하는가?

주요 결과

• 3-μm 폭의 실리콘 포토닉스 파손은 특별한 제조 공정 없이도 초저손실인 약 0.1 dB/cm의 전파 손실을 달성하였으며, 일반적으로 1–2 dB/cm의 손실을 보이는 표준 450-nm 폭 파손보다 현저히 낮다.
• 표준 220-nm SOI MPW 공정을 사용해 제조한 마이크로 레이서트랙 공진기는 기록적인 내재 Q 인자 1.02×10⁷를 달성하였으며, 이는 파손 전파 손실 0.065 dB/cm에 해당한다.
• 3-μm 폭의 파손과 90° 유러 곡선 굴절을 사용한 온칩 100cm 지연선은 측정된 전파 손실이 약 0.14 dB/cm로 나타나, 균일한 스트립 SOI 파손에서 가장 길고 저손실인 지연선을 실현하였다.
• 고Q 공진기를 기반으로 한 마이크로파 포토닉 필터는 초우수한 3-dB 대역폭 20.6 MHz와 약 20 GHz의 조절 범위를 확보하여, 현재까지 보고된 바 중 가장 뛰어난 성능을 기록하였다.
• 100cm 지연선의 전파 손실은 공진기에서 추정한 손실(0.14 dB/cm 대비 0.065 dB/cm)보다 높았으며, 누적 결함과 웨이퍼 수준의 제조 변동으로 인한 것으로 보인다.
• 10개 이상의 칩에서 평균 전파 손실은 0.14 ± 0.025 dB/cm로 측정되어 높은 공정 균일성과 재현성을 확인하였다.