[논문 리뷰] Slow light silicon modulator beyond 110 GHz bandwidth

Changhao Han, Zheng Zhao외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 07.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 캐스케이드형 브라그 격자와 함께 결합 공명체 광학 파손(CROW)을 기반으로 한 슬로우 라이트 실리콘 변조기를 제안하며, 124 µm의 면적에서 전기광학(EO) 대역폭이 110 GHz를 초과하는 성능을 달성한다. 군속도 최적화 및 광자 수명, 손실, 전기 대역폭 간의 균형을 맞춤으로써, 디지털 신호 처리(DSP) 없이 온오프 키링(OOK)을 사용해 110 Gbps 이상의 데이터 전송이 가능해졌으며, 순수 실리콘 변조기에서 이전의 67 GHz 대역폭 한계를 뛰어넘었다.

ABSTRACT

Silicon modulators are key components in silicon photonics to support the dense integration of electro-optic (EO) functional elements on a compact chip for various applications including high-speed data transmission, signal processing, and photonic computing. Despite numerous advances in promoting the operation speed of silicon modulators, a bandwidth ceiling of 67 GHz emerges in practices and becomes an obstacle to paving silicon photonics toward Tbps level data throughput on a single chip. Here, we theoretically propose and experimentally demonstrate a design strategy for silicon modulators by employing the slow light effect, which shatters the present bandwidth ceiling of silicon modulators and pushes its limit beyond 110 GHz in a small footprint. The proposed silicon modulator is built on a coupled-resonator optical waveguide (CROW) architecture, in which a set of Bragg gratings are appropriately cascaded to give rise to a slow light effect. By comprehensively balancing a series of merits including the group index, photon lifetime, electrical bandwidth, and losses, we found the modulators can benefit from the slow light for better modulation efficiency and compact size while remaining their bandwidth sufficiently high to support ultra-high-speed data transmission. Consequently, we realize a modulator with an EO bandwidth of 110 GHz in a length of 124 μm, and demonstrate a data rate beyond 110 Gbps by applying simple on-off keying modulation for a DSP-free operation. Our work proves that silicon modulators beyond 110 GHz are feasible, thus shedding light on the potentials of silicon photonics in ultra-high-bandwidth applications such as data communication, optical interconnection, and photonic machine learning.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 광학에서 초고속 실리콘 변조기의 성능을 제한하는 67 GHz 대역폭 한계를 극복하기 위해.
• 순수 실리콘과 CMOS 호환성 있는 구성 요소를 사용해 칩당 Tbps 수준의 데이터 처리 능력을 달성하기 위해.
• 하이브리드 재료나 복잡한 DSP에 의존하지 않고 고속·소형의 변조를 실현하기 위해.
• 슬로우 라이트 효과가 CROW 구조에서 동시에 대역폭과 효율을 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 군속도를 제어할 수 있는 6.1의 군지수를 갖는 슬로우 라이트 효과를 유도하기 위해 캐스케이드형 브라그 격자를 통합한 결합 공명체 광학 파손(CROW)을 설계한다.
• 패assband 폭, 광학 대역폭, 변조 효율성, 전기 대역폭 간의 균형을 맞추기 위해 중간 금속 모드를 최적화한다.
• 임피던스 매칭과 고주파 응답을 확보하기 위해 GSGSG 기하구조를 갖는 푸시-풀 전극 구성을 구현한다.
• 200 mm 웨이퍼 기반의 표준 90 nm SOI CMOS 공정을 사용하여 제작하며, 실리콘 두께는 220 nm, 매립된 산화실리콘 두께는 2 µm이다.
• 455 nm 너비의 파손을 갖는 파손선과 90 nm의 리브 도핑 영역, 그리고 5.0×10¹⁷ cm⁻³의 P형 및 N형 도핑 농도를 사용해 실리콘에 실리콘 도핑을 수행한다.
• 벡터 네트워크 분석기를 통해 110 GHz 이하의 주파수에서 S-파ram터 측정을 수행하였으며, 110 GHz의 빛파지 성분을 사용하여 OOK 및 아이 눈도표를 통해 데이터 전송 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환 플랫폼에서 CROW 기반의 슬로우 라이트 효과를 활용해 순수 실리콘 변조기의 67 GHz 대역폭 한계를 극복할 수 있는가?
• RQ2 CROW 기반 변조기에서 변조 효율성, 광자 수명, 전기 대역폭 간의 상충 관계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 디지털 신호 처리(DSP) 없이 단지 온오프 키링(OOK)만을 사용해 110 Gbps 이상의 데이터 전송이 가능한가?
• RQ4 하이브리드 통합 없이 표준 실리콘 포토닉스 공정만으로도 소형·고대역폭 실리콘 변조기를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 124 µm의 소형 면적에서 전기광학(EO) 대역폭이 110 GHz에 도달하여 이전의 67 GHz 한계를 초월하였다.
• 디지털 신호 처리(DSP) 없이 온오프 키링(OOK) 변조를 사용하여 110 Gbps 이상의 데이터 전송이 실험적으로 입증되었다.
• 삽입 손실은 6.8 dB로 측정되었으며, 이 중 5.4 dB는 위상 이동기에서 기인하여 실제 응용에 적합한 성능임을 보였다.
• 군지수는 6.1로 최적화되어 높은 변조 효율성과 충분한 대역폭, 낮은 전파 손실을 동시에 확보하였다.
• 시스템은 8 nm의 스펙트럼 창에서 안정적으로 작동함을 확인하여 뛰어난 내구성과 넓은 운영 대역폭을 입증하였다.
• 결과적으로 순수 실리콘 변조기가 CROW 구조에서 슬로우 라이트 효과를 활용함으로써 Tbps 수준의 성능을 달성할 수 있음을 입증하였으며, 향후 데이터 통신 및 광학 컴퓨팅 분야의 응용 가능성을 시사한다.