[논문 리뷰] Roadmap on Atto-Joule per Bit Modulators

Volker J. Sorger, Rubab Amin외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 15.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 그래핀 기반 플라스모닉 및 하이브리드 포톤-플라스모닉 구조를 활용하여 1 aJ/bit에 가까운 에너지 효율을 달성하는 칩 내 전기광학 변조기로의 길을 제시한다. 110 aJ/bit의 변조기와 0.05 dB/V/μm의 효율을 달성하였으며, 770 nm 길이의 장치로 2 dB/V/μm 성능을 구현하여 전자 네트워크 대비 에너지 효율을 두 배수 개선함으로써 광컴퓨팅 및 뉴로모픽 시스템에 적합한 초저전력 광인터커넥트를 실현한다.

ABSTRACT

Electrooptic modulation performs the conversion between the electrical and optical domain with applications in data communication for optical interconnects, but also for novel optical compute algorithms such as providing nonlinearity at the output stage of optical perceptrons in neuromorphic analogue optical computing. Since the clock frequency for photonics on chip has a power overhead sweet slot around 10s of GHz, ultrafast modulation may only be required in long distance communication, but not for short onchip links. Here we show a roadmap towards atto Joule per bit efficient modulators on chip as well as some experimental demonstrations of novel plasmon modulators with sub 1fJ per bit efficiencies. We then discuss the first experimental demonstration of a photon plasmon-hybrid Graphene-based electroabsorption modulator on silicon. The device shows a sub 1V steep switching enabled by near ideal electrostatics delivering a high 0.05dB per V um performance requiring only 110 aJ per bit. Improving on this design, we discuss a plasmonic slot based Graphene modulator design, where the polarization of the plasmonic mode matches with Graphenes inplane dimension. Here a push pull dual gating scheme enables 2dB per V um efficient modulation allowing the device to be just 770 nm short for 3dB small signal modulation. This in turn allows for a device-enabled two orders of magnitude improvement of electrical optical co integrated network on chips over electronic only architectures. The latter opens technological opportunities in in cognitive computing, dynamic data-driven applications system, and optical analogue compute engines to include neuromorphic photonic computing.

연구 동기 및 목표

• 초저전력 광인터커넥트를 실현하기 위해 1 aJ/bit에 가까운 에너지 효율을 갖춘 칩 내 전기광학 변조기를 개발한다.
• 통합 회로에서 전자 인터커넥트의 에너지 및 대역폭 제한을 극복하기 위해 광학 통합 기술을 통해 구현한다.
• 특히 뉴로모픽 및 인지 컴퓨팅 시스템을 위한 에너지 효율적인 광컴퓨팅 아키텍처를 실현한다.
• 그래프린 기반 전기흡수 변조기의 실험적 실현 가능성을 입증하며, 1 fJ/bit 이하의 에너지 효율을 달성한다.
• 빛-물질 상호작용을 향상시키고 장치 면적을 감소시키는 데 기여하는 플라스모닉 및 하이브리드 포톤-플라스모닉 설계를 탐색한다.

제안 방법

• 근접한 이상적인 전기적 정전계를 갖춘 그래핀 기반 전기흡수 변조기를 사용하여 1 V 이하의 전압에서 급격한 스위칭을 달성한다.
• 플라스모닉 슬롯 구조를 적용하여 플라스모닉 모드의 편광이 그래핀의 평면 내 광학 반응과 일치하도록 한다.
• 이중 게이팅 방식을 도입하여 변조 효율을 향상시키고 고속 동작을 가능하게 한다.
• 그래프린을 실리콘 호환성 플라스모닉 웨이브가이드와 통합하여 강력한 전기장 농축과 저에너지 작동을 실현한다.
• 저손실 전파 손실과 고강도 전기장 증폭을 동시에 확보하기 위해 하이브리드 포톤-플라스모닉 구성 구조를 활용한다.
• dB/V/μm 및 비트당 에너지(aJ/bit)와 같은 지표를 사용하여 장치 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래프린 기반 전기흡수 변조기는 작고 칩 내 설계에서 1 fJ/bit 이하의 에너지 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 모드와 그래핀의 평면 내 광학 반응 간의 편광 일치가 변조 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중 게이팅 방식은 플라스모닉 변조기의 에너지 효율성과 대역폭을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 실리콘 광학 플랫폼에서 그래프린 기반 플라스모닉 변조기의 이론적 및 실험적 에너지 효율 한계는 무엇인가?
• RQ5 이러한 변조기는 네트워크온칩 아키텍처에서 전자 인터커넥트 대비 두 배수의 에너지 효율 향상을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 그래프린 기반 전기흡수 변조기가 110 aJ/bit의 에너지 소비와 0.05 dB/V/μm의 효율을 달성하여 1 fJ/bit 이하 작동을 입증하였다.
• 근접한 이상적인 전기적 정전계 설계 덕분에 1 V 이하의 전압에서 급격한 스위칭 특성을 보였다.
• 플라스모닉 슬롯 기반의 변조기 설계가 2 dB/V/μm의 효율을 달성하여 770 nm 길이의 장치로 3 dB 소신호 대역폭을 구현하였다.
• 하이브리드 포톤-플라스모닉 구성은 작고 칩 내에 집약된 구조에서 강력한 빛-물질 상호작용과 고강도 전기장 농축을 가능하게 하였다.
• 제안된 변조기는 전자 기반 네트워크온칩 아키텍처 대비 에너지 효율을 두 배수 개선할 수 있었다.
• 결과적으로 이는 인지 컴퓨팅, 동적 데이터 기반 응용, 광학 아날로그 컴퓨팅 엔진 등에 대한 광인터커넥트의 길을 열었다.