[논문 리뷰] Polymer-based Hybrid Integrated Photonic Devices for Silicon On-chip Modulation and Board-level Optical Interconnects

Xingyu Zhang, Amir Hosseini외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 01.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 49인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 저비용, 고대역폭의 칩내 조절 및 보드 수준 광인터커넥트를 위한 고분자 기반 하이브리드 통합 광학 장치를 제시한다. 전기광학 고분자를 실리콘 플랫폼과 통합하고 롤 투 롤 적합한 제조 공정을 활용하여, 소형이고 저전력의 조절기와 고선형성 및 광대역 작동을 갖춘 효율적인 광인터커넥트를 구현한다.

ABSTRACT

The accelerating increase in information traffic demands the expansion of optical access network systems that require cost reduction of optical and photonic components. Low cost, ease of fabrication, and integration capabilities of low optical-loss polymers make them attractive for photonic applications. In addition to passive wave-guiding components, electro-optic (EO) polymers consisting of a polymeric matrix doped with organic nonlinear chromophores have enabled wide-RF-bandwidth and low-power optical modulators. Beside board level passive and active optical components, compact on-chip modulators (a few 100 micronmeters to a few millimeters) have been made possible by hybrid integration of EO polymers onto the silicon platform. This paper summarizes some of the recent progress in polymer based optical modulators and interconnects. A highly linear, broadband directional coupler modulator for use in analog optical links and compact, and low-power silicon/polymer hybrid slot photonic crystal waveguide modulators for on chip applications are presented. Recently, cost-effective roll-to-roll fabrication of electronic and photonic systems on flexible substrates has been gaining interest. A low-cost imprinted/ink-jet-printed Mach-Zehnder modulator and board-to-board optical interconnects using microlens integrated 45-degree mirror couplers compatible with the roll-to-roll fabrication platforms are also presented.

연구 동기 및 목표

• 데이터 통신 시스템에서 비용 효율적이고 고대역폭을 갖춘 광학 부품에 대한 증가하는 수요를 해결하기 위해.
• 기존의 III-V 및 실리콘 광학 부품의 한계를 극복하기 위해 저손실, 저비용 고분자를 활용하기 위해.
• 전기광학 고분자를 실리콘 웨이브가이드와 하이브리드 통합하여 소형이고 저전력의 칩내 조절기를 가능하게 하기 위해.
• 롤 투 롤 제조 공정과 같은 확장 가능하고 저비용 제조 플랫폼과 호환되는 보드 수준 광인터커넥트를 개발하기 위해.
• 고분자 기반 방향성 커플러와 광결정 웨이브가이드를 활용하여 아날로그 광링크와 광학 통합을 발전시키기 위해.

제안 방법

• 비선형 크로모포어를 도핑한 전기광학(EO) 고분자를 사용하여 조절기에서 고주파 대역폭과 저전력 작동을 달성하기 위해.
• 실리콘 플랫폼에 전기광학 고분자를 하이브리드 통합하여 실리콘의 웨이브가이드 효율성과 고분자의 전기광학 성질을 조합하기 위해.
• 칩내 응용을 위한 소형이고 저전력의 실리콘/고분자 하이브리드 슬롯 광결정 웨이브가이드 조절기를 설계 및 제작하기 위해.
• 저비용, 확장 가능한 생산을 위한 인쇄 및 잉크젯 프린팅 기반의 고분자 기반 맥스-지엔더 조절기를 개발하기 위해.
• 효율적인 보드 간 광인터커넥트를 위해 마이크로렌즈 보조 45도 미러 커플러를 통합하기 위해.
• 유연한 기판에 전자 및 광학 시스템을 대규모로 저비용으로 생산하기 위해 롤 투 롤 제조 공정을 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기광학 고분자를 실리콘 플랫폼과 하이브리드 통합함으로써 고대역폭, 저전력의 칩내 광조절기가 가능할 수 있는가?
• RQ2 고성능과 저비용을 갖춘 보드 수준 광인터커넥트를 위한 고분자 기반 광학 부품은 어떻게 최적화될 수 있는가?
• RQ3 롤 투 롤 제조 기술은 기능성 광학 장치를 유연한 기판에 통합하는 데 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ4 고분자 기반 방향성 커플러 조절기는 아날로그 광링크에서 어떤 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ5 하이브리드 슬롯 광결정 웨이브가이드 설계는 소형 칩내 조절기에서 전기광학 효율을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 광대역 RF 대역폭을 갖춘 고선형성, 광대역 방향성 커플러 조절기가 아날로그 광링크에 적합한 것으로 입증되었다.
• 소형이고 저전력의 실리콘/고분자 하이브리드 슬롯 광결정 웨이브가이드 조절기는 1mm 이하의 면적을 차지하면서도 효율적인 칩내 조절을 달성했다.
• 저비용의 인쇄 및 잉크젯 프린팅 기반 맥스-지엔더 조절기가 롤 투 롤 적합 공정을 통해 성공적으로 제작되었다.
• 마이크로렌즈 통합 45도 미러 커플러는 낮은 커플링 손실을 갖춘 효율적인 보드 간 광인터커넥트를 가능하게 하였다.
• 전기광학 고분자를 실리콘 웨이브가이드와 하이브리드 통합함으로써 고속 조절이 가능해지고, 구동 전압과 전력 소모가 감소하였다.
• 롤 투 롤 제조 공정 기술이 탄소 섬유 기반의 기판에 통합 광학 및 전자 시스템을 대규모로 저비용으로 생산하는 데 검증되었다.