[논문 리뷰] Silicon-integrated scandium-doped aluminum nitride electro-optic modulator

Tianqi Xu, Yushuai Liu외 9명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 29.

Acoustic Wave Resonator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고속, CMOS 호환성 있는 광학 통합을 위한 비선형성과 피에조전기 성질이 향상된 니오브ium 도핑된 알루미늄 질화물(AlScN) 박막을 기반으로 한 실리콘 통합 전기광학 변조기의 개발을 제시한다. 장치는 12 GHz에서 2.86 pm/V의 기록적인 효과적 전기광학 계수를 달성하였으며, 3-dB 대역폭은 22 GHz이고, 최소 반파장 전압-길이 곱(VπL)은 3.12 V·cm이다.

ABSTRACT

Scandium-doped aluminum nitride (AlScN) with an asymmetric hexagonal wurtzite structure exhibits enhanced second-order nonlinear and piezoelectric properties compared to aluminum nitride (AlN), while maintaining a relatively large bandgap. It provides a promising platform for photonic integration and facilitates the seamless integration of passive and active functional devices. Here, we present the design, fabrication, and characterization of AlScN EO micro-ring modulators, introducing active functionalities to the chip-scale AlScN platform. These waveguide-integrated EO modulators employ sputtered AlScN thin films as the light-guiding medium, and the entire fabrication process is compatible with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. We characterize the high-frequency performance of an AlScN modulator for the first time, extracting a maximum in-device effective EO coefficient of 2.86 pm/V at 12 GHz. The devices show a minimum half-wave voltage-length product of 3.12 V*cm and a 3-dB modulation bandwidth of approximately 22 GHz. Our work provides a promising modulation scheme for cost-effective silicon-integrated photonics systems.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 광학 통합을 위한 스칸디움 도핑된 알루미늄 질화물(AlScN)을 사용한 고성능 실리콘 통합 전기광학 변조기 개발.
• 칩 상에서 활성 기능을 구현하기 위해 AlScN의 향상된 이阶 비선형성 및 피에조전기 성질을 활용.
• 낮은 전력 소비와 함께 고속 조절을 실현하고, 보편적인 금산산화물 반도체(CMOS) 제조 공정과의 호환성 확보.
• 웨이브가이드 통합 마이크로링 구조에서의 첫 번째 고주파 특성 분석을 수행.

제안 방법

• 활성 전기광학 웨이브가이드 재료로 스퍼터링 방식으로 제조된 AlScN 박막을 사용하여 변조기를 제조.
• 포켈 효과를 통한 효율적인 전기광학 조절을 위해 마이크로링 공진기 구조를 설계 및 제조.
• 기존 실리콘 포토닉 플랫폼과의 호환성을 확보하기 위해 CMOS 호환 제조 공정을 적용.
• 효과적 전기광학 계수 및 조절 대역폭을 추출하기 위해 고주파 전기적 및 광학적 특성 분석을 수행.
• 12 GHz 이하 주파수까지의 S-파arameter 측정 결과에서 효과적 전기광학 계수를 추출.
• 측정된 감쇠비 및 편향 전압 응답에서 반파장 전압-길이 곱(VπL)을 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칸디움 도핑된 알루미늄 질화물(AlScN)은 실리콘 포토닉 플랫폼에 효과적으로 통합되어 고속 전기광학 조절을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 CMOS 호환 제조 공정에서 AlScN 기반 전기광학 변조기의 실현 가능한 고주파 성능는 어떠한가?
• RQ3 고주파에서 웨이브가이드 통합 마이크로링 변조기에서 AlScN의 효과적 전기광학 계수는 얼마인가?
• RQ4 AlScN 변조기의 VπL 곱과 3-dB 조절 대역폭은 실리콘 포토닉스 분야의 기존 전기광학 재료와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 AlScN은 전통적인 리튬니오브산탄(LiNbO₃) 또는 III-V 반도체와 같은 재료에 비해 칩 내 조절에 실현 가능한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• AlScN 변조기는 12 GHz에서 최대 2.86 pm/V의 내부 효과적 전기광학 계수를 달성하였으며, 이는 이러한 장치의 첫 번째 고주파 특성 분석 결과이다.
• 장치는 약 22 GHz의 3-dB 조절 대역폭을 나타내어 고대역폭 광통신에 적합함을 입증하였다.
• 최소 반파장 전압-길이 곱(VπL)은 3.12 V·cm로 측정되었으며, 이는 전기광학 변조기의 에너지 효율성에 중요한 지표이다.
• 변조기는 보편적인 금산산화물 반도체(CMOS) 공정과 완전히 호환되어 실리콘 포토닉 회로와의 확장 가능한 통합이 가능하다.
• AlScN 플랫폼은 단일 칩 상에서 수동 및 능동 광학 구성 요소의 원활한 통합을 지원한다.
• 결과적으로 AlScN은 비용 효율적이고 고성능의 실리콘 통합 포토닉스를 위한 전통적인 전기광학 재료에 대한 유망한 대안으로 입증되었다.