[논문 리뷰] Thermal tuners on a Silicon Nitride platform

Daniel Pérez, Juan Pêdro Solano Fernández외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 11.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 18인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 nitride 플랫폼에 고밀도 광학 집적 회로에서의 열적 간섭을 최소화하면서 270×5 µm²의 면적과 350 mW의 스위칭 전력으로 작동하는 컴팩트한 열 테이너를 제안한다. 20 µm 이상의 거리에서 열 간섭은 한 계급 이내이다. 이 설계는 다중 히터를 갖춘 접힌 웨이브가이드 구성을 통해 열 효율성을 향상시키고 전력 소모를 줄이며, 고밀도 광학 집적 회로에서의 간섭을 최소화한다.

ABSTRACT

In this paper, the design trade-offs for the implementation of small footprint thermal tuners on silicon nitride are presented, and explored through measurements and supporting simulations of a photonic chip based on Mach-Zehnder Interferometers. Firstly, the electrical properties of the tuners are assessed, showing a compromise between compactness and deterioration. Secondly, the different variables involved in the thermal efficiency, switching power and heater dimensions, are analysed. Finally, with focus on exploring the limits of this compact tuners with regards to on chip component density, the thermal-cross talk is also investigated. Tuners with footprint of 270x5 μm 2 and switching power of 350 mW are reported, with thermal-cross talk, in terms of induced phase change in adjacent devices of less than one order of magnitude at distances over 20 μm. Paths for the improvement of thermal efficiency, power consumption and resilience of the devices are also outlined

연구 동기 및 목표

• 실리콘 나이트라이드 광학 집적 회로를 위한 온칩 열 테이너에서 컴팩트함, 열 효율성, 간섭 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 전력 소모를 줄이고 열 봉쇄 성능을 향상시키기 위해 히터 치수와 웨이브가이드 구성을 최적화하기 위해.
• 초소형 테이너에서의 열 간섭을 조사하고 최소화하여 고부하 밀도 응용 분야에 적합하게 하기 위해.
• 열 효율성을 향상시키고 전력 요구량을 줄이는 데 기여하는 다중 히터 접힌 웨이브가이드 아키텍처를 제안하고 평가하기 위해.
• Si3N4 기반 PIC에서 면적, 전력, 내구성 간의 균형을 맞추는 데 기여하는 설계 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• CMOS 호환성 있는 PECVD 및 LPCVD 공정을 사용하여 Si3N4/SiO2 플랫폼에 컴팩트한 열 테이너를 탑재한 막스-젠더 간섭계(MZI) 테스트 구조의 설계 및 제작.
• 온도 및 굴절률 변화를 모델링하기 위해 측정된 저항율 및 재료 특성을 사용한 COMSOL Multiphysics 기반의 열광학 시뮬레이션 수행.
• 세 개의 금속 스트립을 사용한 다중 히터 접힌 웨이브가이드 구성으로 다섯 개의 광학 웨이브가이드 코어를 조절하여 열 효율성을 향상.
• 다양한 장치 구성에서 전기적 특성, 스위칭 전력, 열 간섭을 실험적으로 측정.
• 경사진 도체의 저항을 분석 모델링하여 히터 기하학 및 열 반응을 최적화.
• 히터 길이, 너비, 간격을 체계적으로 변화시켜 전력 소모, 열 간섭, 면적 간의 상충 관계 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나이트라이드 기반 컴팩트한 열 테이너에서 히터 치수와 기하학적 형태는 열 효율성과 전력 소모에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 초소형 열 테이너에서 인접한 웨이브가이드 간의 열 간섭 수준은 얼마이며, 장치 간격과 어떻게 비례하는가?
• RQ3 기존 단일 히터 설계에 비해 다중 히터 접힌 웨이브가이드 구성은 열 효율성 향상과 전력 소모 감소에 기여하는가?
• RQ4 Si3N4 기반 열 테이너에서 면적, 스위칭 전력, 열 간섭 간의 최적 균형은 무엇인가?
• RQ5 다중 코어 구성에서 웨이브가이드 코어의 열 반응은 히터의 위치와 레이아웃에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 270×5 µm²의 면적과 350 mW의 스위칭 전력을 갖는 열 테이너가 성공적으로 제작되었고 실험적으로 검증되었다.
• 20 µm 이상의 거리에서 측정된 열 간섭은 인접 장치에서 유도된 위상 변화가 한 계급 이내였다.
• 다중 히터 접힌 웨이브가이드 구성은 웨이브가이드 섹션 대 히터 스트립의 비율을 5:3으로 향상시켜 열 효율성을 향상시켰다.
• 제안된 구성은 히터 세그먼트 사이에서 손실되는 열을 활용함으로써 전력 소모를 줄였다.
• 시뮬레이션과 측정 결과는 히터를 접고 적절히 간격을 두었을 경우 열 간섭이 크게 감소함을 확인했다.
• 이 연구는 컴팩트한 열 테이너가 낮은 전력 소모와 최소한의 간섭을 동시에 달성할 수 있음을 입증하여 고밀도 광학 집적 회로의 실현 가능성을 제고한다.