[논문 리뷰] Photonic Crystal Microcavities in Advanced Silicon-On-Insulator Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor Technology

Christopher V. Poulton, Xiaoge Zeng외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 22.

Photonic Crystals and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 제조소 내 수정 없이 고급 SOI CMOS 공정(IBM 45 nm 12SOI)에 선형 광학 격자 마이크로공진기의 최초 단일체 통합을 입증한다. 3D 고유모드 시뮬레이션 기반 설계와 산란 결합 기하 구조를 통해, 적재된 Q 인자값은 2,000~4,000이며, 고유 손실 Q는 최대 100,000에 이를 수 있었다.

ABSTRACT

We demonstrate the first (to the best of our knowledge) monolithically integrated linear photonic crystal microcavities in an advanced SOI CMOS microelectronics process (IBM 45 nm 12SOI) with no in-foundry process modifications. The cavities were integrated into a standard microelectronics design flow meeting process design rules, and included in a chip set alongside standard microelectronic circuits and microprocessors in the same device layer as transistors. We demonstrate both 1520 nm wavelength telecom band and 1180 nm cavity designs, using different structures owing to design rule limitations. Loaded Q’s of 2,000 and 4,000, and extracted intrinsic loss Q’s of the order of 100,000 and 50,000 are demonstrated. We also demonstrate an evanescent coupling geometry which entirely decouples the cavity and waveguide-coupling design, and investigate some of the mode features inherent in this coupling approach. The cavities support extended modes due to the thin device layer that limits optical confinement, and as a result show a family of longitudinal resonant modes. Cavities were designed using a rigorous numerical synthesis based on 3D eigenmode simulation

연구 동기 및 목표

• 공정 수정 없이 표준 CMOS 호환 SOI 공정에 광학 격자 마이크로공진기를 단일체로 통합하는 것을 목적으로 한다.
• 기존 마이크로전자 설계 흐름과 설계 규칙과 호환되는 고품질 인자 광학 공진기를 달성하는 것을 목적으로 한다.
• 맞춤형 공진기 구조를 통해 1520 nm 및 1180 nm 통신 파장에서의 작동을 입증하는 것을 목적으로 한다.
• 공진기와 파장간섭기 설계를 분리할 수 있는 산란 결합 기하 구조를 개발하고 검증하는 것을 목적으로 한다.
• 박은 장치층이 통합 마이크로공진기에서 광학 구속 및 모드 구조에 미치는 영향을 특성화하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 맞춤형 광학 공진기를 갖춘 광학 격자 마이크로공진기를 정밀하게 설계하기 위해 철저한 3D 고유모드 시뮬레이션 기반 수치 합성 기법을 사용하였다.
• 표준 공정 설계 규칙과 마이크로전자 설계 흐름을 따르며, 12SOI CMOS 공정(IBM 45 nm)에 마이크로공진기를 통합하였다.
• 공진기와 파장간섭기 설계를 분리하기 위해 산란 결합 기하 구조를 적용하여 독립적인 최적화를 가능하게 하였다.
• SOI 플랫폼의 설계 규칙 제약로 인해 1520 nm 및 1180 nm 동작을 위한 별도의 공진기 구조를 설계하였다.
• 공진기 성능 평가를 위해 적재된 Q 및 고유 손실 Q를 측정하였으며, 고유 Q는 추출된 손실 매개변수로부터 유도되었다.
• 박은 장치층으로 인한 연장된 모드로 인해 발생하는 모드 특성, 특히 종방향 공진 모드 가족을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공정 내 수정 없이 표준 CMOS 호환 SOI 공정에 광학 격자 마이크로공진기를 단일체로 통합할 수 있는가?
• RQ2 박은 장치층이 있는 12SOI CMOS 플랫폼에서 마이크로공진기의 도달 가능한 Q 인자값은 얼마인가?
• RQ3 박은 장치층은 통합 마이크로공진기에서 광학 구속 및 모드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 산란 결합 기하 구조가 단일체 통합 환경에서 공진기와 파장간섭기 설계를 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ5 동일한 공정 제약 조건 하에서 서로 다른 파장(1520 nm 대비 1180 nm)을 목표로 할 경우 발생하는 설계 상충 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 공정 내 수정 없이 고급 SOI CMOS 공정(IBM 45 nm 12SOI)에 광학 격자 마이크로공진기를 최초로 단일체로 통합하였다.
• 공정 설계 규칙의 제약 조건 하에서 1520 nm 및 1180 nm에서 각각 2,000 및 4,000의 적재된 Q 인자값을 입증하였다.
• 1520 nm 및 1180 nm 공진기에서 각각 약 100,000 및 50,000의 추출된 고유 손실 Q를 달성하였다.
• 박은 장치층으로 인해 획득된 연장된 광학 모드와 제한된 횡방향 구속으로 인한 종방향 공진 모드 가족이 발생하였다.
• 산란 결합 기하 구조가 성공적으로 구현되어 공진기와 파장간섭기 설계를 완전히 분리함으로써 통합의 유연성을 향상시켰다.
• 3D 고유모드 시뮬레이션 기반 합성 기법을 사용함으로써 공정 및 기하 제약 조건에도 불구하고 공진기 공진을 정밀하게 제어할 수 있었다.