[論文レビュー] Monolithically integrated multiple wavelength oscillator on silicon

Jacob S. Levy, Alexander Gondarenko+4 more|ArXiv.org|Jul 6, 2009

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、シリコンナイトライドのマイクロリングレゾネータを統合波ガイドと結合させた光パラメトリックオシレータ（OPO）を用いて、最初のモノリシックに統合された、CMOSと互換性のある複数波長光源をシリコン上に実現した。このデバイスは、50 mW未満のポンプパワーで数ナノメートル間隔で100個以上の新しい波長を生成し、次世代のマルチコアプロセッサ向けに高帯域幅のオンチップWDM光通信ネットワークを実現する。

ABSTRACT

Silicon photonics enables on-chip ultra-high bandwidth optical communications networks which is critical for the future of microelectronics1,2. By encoding information on-chip using multiple wavelength channels through the process of wavelength division multiplexing (WDM), communication bandwidths in excess of 1 Tbit s-1 are possible3. Already several optical components critical to WDM networks have been demonstrated in silicon, however a fully integrated multiple wavelength source capable of driving such a network has not yet been realized. Optical amplification, a necessary component for producing a source, can be achieved in silicon through stimulated Raman scattering4,5, parametric mixing6, and the use of silicon nanocrystals7 or nanopatterned silicon8. Losses in most of these previously demonstrated devices have prevented oscillations in those structures. Raman oscillators have been demonstrated9-11, but the narrow Raman gain window limits operation to a tightly restricted (~ 1 nm) wavelength range and thus is insufficient for WDM. Losses in other previously demonstrated devices have prevented oscillations in those structures. Here we demonstrate the first monolithically integrated CMOS-compatible multiple wavelength source by creating an optical parametric oscillator (OPO) formed by a silicon nitride ring resonator on silicon coupled to an integrated waveguide. The device can generate more than 100 new wavelengths, spaced by a few nm, with operating powers below 50 mW. This source can form the backbone of a fully operational high-bandwidth optical communications network on a microelectronic chip enabling the next generation of multi-core microprocessors.

研究の動機と目的

• オンチップ光通信向けに、完全に統合され、CMOSと互換性を持つ複数波長光源の開発。
• 従来のシリコンベースの光源の限界、例えば狭い増幅帯域幅や高損失により発振が困難な問題を克服すること。
• マイクロエレクトロニクスチップ上での高容量、波長分割多重（WDM）光インターリンクの実現。
• スケーラブルで低消費電力な光源の実証、マルチコアプロセッサアーキテクチャへの統合に適したものとする。

提案手法

• デバイスは、シリコン基板上に統合されたシリコンナイトライドのマイクロリングレゾネータを用いて、光パラメトリック発振を実現する。
• 単一波長のポンプレーザーを波ガイドに結合させ、リングレゾネータを励起することで、四波混合を介して複数の新しい波長を生成する。
• リングレゾネータは位相一致を満たすパラメトリックプロセスをサポートするように設計されており、広帯域にわたる効率的な波長変換を可能にする。
• システムは標準的なCMOSと互換性のあるプロセスでフォトリソグラフィーにより製造され、既存のマイクロエレクトロニクスプラットフォームと互換性を確保する。
• ポンプパワーが50 mW未満で動作するため、低エネルギー消費が実現される。
• 出力スペクトルを測定して、数ナノメートル間隔で100個以上の新しい波長が生成されたことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンオンインシュレータープラットフォーム上で、シリコンナイトライド波ガイドを用いてモノリシックに統合された光パラメトリックオシレータを実現できるか？
• RQ2 1つの統合デバイスで、低ポンプパワーで生成可能な新しい波長の最大数は何か？
• RQ3 このような光源が、実用的なWDMベースのオンチップ光インターリンクに十分なスペクトル帯域幅とチャネル間隔を達成できるか？
• RQ4 帯域幅およびパワー効率の観点から、従来のラーマン源や他のパラメトリック源と比較して、デバイスの性能はどのように異なるか？
• RQ5 標準的なCMOSプロセスと互換性があり、スケーラブルな統合が可能か？

主な発見

• デバイスは、1つの統合構造内で光パラメトリック発振によって100個以上の新しい波長を生成することに成功した。
• 生成された波長は数ナノメートル間隔であり、高密度波長分割多重（WDM）応用に適している。
• ポンプパワーが50 mW未満で動作するため、オンチップ統合に適した低エネルギー消費を示している。
• CMOSと互換性のあるプロセスを用いてシリコン上にモノリシックに統合されたため、スケーラビリティと既存のマイクロエレクトロニクスとの相性が確保された。
• シリコンナイトライドのマイクロリングレゾネータを用いることで、効率的な位相一致を達成する四波混合が可能となり、類似デバイスで発振が困難だった損失を克服した。
• 提示された光源は、オンチップ光ネットワークの主要な構成要素を担う、最初の完全に統合されたマルチウェーブ長発振器である。