[論文レビュー] A Guide for Material and Design Choices for Electro-Optic Modulators and recent 2D-Material Silicon Modulator Demonstrations

Rubab Amin, Mario Zhizhen+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、グラフェンや遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) などの新規2次元材料をシリコンフォトニクスプラットフォームに統合することを焦点に、電気光学モジュレータの材料選定および設計選択について包括的なガイドを提供する。ヘテロ集積を用いたエネルギー効率が高く、コンactなモジュレータ—ITOベースのマハチンダーザンダーモジュレータ、グラフェンハイブリッドプラズモニックデバイス、および最初のTMDベースのマイクロリングレゾネータモジュレータ—の実証により、低消費電力で高速な光インターコネクトへの実現可能性が示された。

ABSTRACT

Electro-optic modulation performs a technological relevant functionality such as for communication, beam steering, or neuromorphic computing through providing the nonlinear activation function of a perceptron. Wile Silicon photonics enabled the integration and hence miniaturization of optoelectronic devices, the weak electro-optic performance of Silicon renders these modulators to be bulky and power-hungry compared to a single switch functionality known from electronics. To gain deeper insights into the physics and operation of modulators hetero-generous integration of emerging electro-optically active materials could enable separating light passive and low-loss light routing from active light manipulation. Here we discuss and review our recent work on a) fundamental performance vectors of electro-optic modulators, and b) showcase recent development of heterogeneous-integrated emerging EO materials into Si-photonics to include an ITO-based MZM, a Graphene hybrid-plasmon and the first TMD-MRR modulator using a microring resonator. Our results indicate a viable path for energy efficient and compact Silicon photonic based modulators.

研究の動機と目的

• シリコンの電気光学的応答が弱いため、フォトニクス集積回路における小型化およびエネルギー効率の制限が生じるという課題に対処すること。
• 新規の電気光学的活性を示す2次元材料をシリコンフォトニクスにヘテロ集積して、モジュレータ性能を向上させること。
• 次世代電気光学モジュレータのための材料および設計選択に関する体系的なガイドを提供すること。
• ITO、グラフェン、TMDsをシリコンフォトニクスプラットフォームに統合し、概念実証デバイスを実現すること。
• 通信およびニューロモルフィックコンピューティングの応用を想定し、コンパクトで低消費電力かつ高速な光モジュレータへの実現可能性のある道筋を特定すること。

提案手法

• 電気光学モジュレータの基本的性能指標（帯域幅、エネルギー効率、消光比）を評価する。
• ITO、グラフェン、遷移金属ジカルコゲナイド（TMDs）などの材料をシリコンウェーブガイドと組み合わせるためのヘテロ集積技術を用いる。
• マハチンダーザンダーフィルタ（MZI）構成を用い、ITOベースの位相シフターにより電気光学モジュレーションを実証する。
• グラフェンを組み込んだハイブリッドプラズモニックウェーブガイド構造を設計し、光-物質相互作用を強化し、デバイスの面積を縮小する。
• モノレイヤーTMD（例：MoS2）を用いたマイクロリングレゾネータ（MRR）プラットフォームを活用し、量子閉じ込めスターリング効果により電気光学モジュレーションを実現する。
• 理論的・シミュレーション的分析と実験的デモンストレーションを統合し、デバイス性能およびスケーラビリティを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンの弱い電気光学的応答は、シリコンフォトニクスにおける新規2次元材料の統合によってどのように克服できるか？
• RQ2 低エネルギーでコンパクトな電気光学モジュレータを実現するための最適な材料選定およびデバイス設計は何か？
• RQ3 ITO、グラフェン、TMDsは、シリコンフォトニクスプラットフォームに効果的に統合可能で、効率的な電気光学モジュレーションを可能にするか？
• RQ4 これらのハイブリッド構造で達成可能な性能指標（帯域幅、エネルギー効率、消光比）は何か？
• RQ5 2次元材料ベースのモジュレータを用いた、スケーラブルで実用的な低消費電力光インターコネクトへの道筋はあるか？

主な発見

• 低損失で高電気光学効率を示すITOベースのマハチンダーザンダーモジュレータが実証され、コンパクトでエネルギー効率の高い動作が可能となった。
• グラフェンハイブリッドプラズモニックモジュレータは、強い光-物質相互作用とマイクロメートル未満のデバイスサイズを実現し、低消費電力で高速モジュレーションが可能となった。
• モノレイヤー遷移金属ジカルコゲナイド（例：MoS2）を用いたTMDベースのマイクロリングレゾネータ（MRR）モジュレータの初の実験的実証が達成され、スターリング効果による明確な電気光学的チューニングが確認された。
• モジュレータは高い消光比と低クロストークを示し、フォトニクス集積回路への統合の可能性が強く示された。
• 2次元材料のシリコンフォトニクスへの統合により、デバイスの面積およびビットあたりのエネルギーが顕著に削減され、電子スイッチの性能に近づいた。
• これらの結果は、通信およびニューロモルフィックコンピューティング分野における次世代光インターコネクトのスケーラブルでエネルギー効率の高い道筋を裏付けた。