[論文レビュー] Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics

Sudip Shekhar, Wim Bogaerts+5 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 19

ひとこと要約

これは、通信、センシング、計算向けのデバイス、統合、パッケージングを含み、シリコンフォトニクスを百万個単位から十億個単位へ拡大するための世代的傾向、課題、および機会を特定する視点的ロードマップです。

ABSTRACT

Silicon photonics has developed into a mainstream technology driven by advances in optical communications. The current generation has led to a proliferation of integrated photonic devices from thousands to millions - mainly in the form of communication transceivers for data centers. Products in many exciting applications, such as sensing and computing, are around the corner. What will it take to increase the proliferation of silicon photonics from millions to billions of units shipped? What will the next generation of silicon photonics look like? What are the common threads in the integration and fabrication bottlenecks that silicon photonic applications face, and which emerging technologies can solve them? This perspective article is an attempt to answer such questions. We chart the generational trends in silicon photonics technology, drawing parallels from the generational definitions of CMOS technology. We identify the crucial challenges that must be solved to make giant strides in CMOS-foundry-compatible devices, circuits, integration, and packaging. We identify challenges critical to the next generation of systems and applications - in communication, signal processing, and sensing. By identifying and summarizing such challenges and opportunities, we aim to stimulate further research on devices, circuits, and systems for the silicon photonics ecosystem.

研究の動機と目的

• シリコンフォトニクスの世代的傾向を、CMOS世代（SSI、MSI、LSI、VLSI）に例えて描き、将来のスケーリングを見通す。
• CMOS-Foundry互換のシリコンフォトニクスを妨げる統合、製造、パッケージングのボトルネックを特定する。
• 重要なアプリケーション（通信、信号処理、センシング）を強調し、より広範な展開を可能にするために解決すべき課題を示す。
• 材料、異種集積、パッケージングなど、今後の研究を促進する新興技術と経路を要約する。
• シリコンフォトニクスエコシステム内のデバイス、回路、システム開発を導く、システム志向の視点を提供する。

提案手法

• 世代（SSIからVLSI）にわたる歴史的および現在のシリコンフォトニクスの進展をレビューし、統合する。
• CMOSファウンドリのベンチマークを用いて、主要な材料、デバイス、パッケージングのボトルネックを特定する。
• Ge光検出器、SiN、LNOI、異種/ハイブリッド集積、先端パッケージングなど、潜在的解決策として新興技術を評価する。
• システムレベルの文脈で、E/O変換、レーザー統合、アバランチ光検出器、遅延設計を論じる。
• フォトニクスとエレクトロニクスのエコシステムを結びつけ、共設計の機会を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 出荷量を百万単位から十億単位へ拡大するには、シリコンフォトニクスの普及を進めるには何が必要か。
• RQ2 デバイス、統合、パッケージングの観点で、次世代のシリコンフォトニクスはどのようになるか。
• RQ3 シリコンフォトニクスのアプリケーション全体に共通する統合・製造ボトルネックは何か、そしてそれらに対処できる新興技術は何か？
• RQ4 通信、センシング、計算のためのスケーラブルなシステムを実現するために、CMOSファウンドリ互換のプロセスとパッケージングをどう進化させるか。
• RQ5 シリコンフォトニクスエコシステムの継続的成長を促す戦略的経路（材料、統合、およびシステム設計）は何か？

主な発見

• シリコンフォトニクスは、CMOSと同様に世代的な進行を辿り、SSIからMSI、LSIへ、PICあたりの構成要素数の増加とともにVLSIへ向かう。
• CMOSファウンドリの制約は、スケーラブルで低コスト・高歩留まりの統合を必要とする。異種/ハイブリッド集積と先端パッケージングを強調。
• 重要なボトルネックには、E/O変調効率、レーザー統合、パッシブアライメントパッケージ、遅延/位相シフト機構が含まれ、密度と電力に影響を与える。
• 新興材料と手法（Ge光検出器、SiNウェーブガイド、LNOI変調器、BTO、ポリマー、MEMS/NOEMS、相変化材料）は潜在的な改善をもたらすが、CMOS互換の統合と熱管理を必要とする。
• システム的視点は、フォトニクスとエレクトロニクスのエコシステム間の強い相互依存性を示し、データリンク、 DSP、熱・空気力学・動的性能を最適化する共同設計の機会を提供する。