[논문 리뷰] Toward Microphononic Circuits on Chip: An Evaluation of Components based on High-Contrast Evanescent Confinement of Acoustic Waves

Yangyang Liu, Nathan Dostart외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 19.

Acoustic Wave Resonator Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고속도 대비 비율이 큰 표면파의 응집을 통해 고체 평판 실리콘 기반 구조에서 GHz 수준의 음향파를 비 suspension 구조 없이 강하게 국소화함으로써, 단일 칩에 통합된 마이크로포논닉 회로 플랫폼을 제안한다. 이는 1–100 GHz 범위에서 복잡하고 功能적인 회로를 실현할 수 있도록, 파장이 수 마이크론 이하인 소형 음향 구성 요소—예를 들어 파동도 굽힘, 방향성 커플러, Y-분할기, 마이크로링 공진기 등—이 고 품질 인자(Q > 1,000), 낮은 전파 손실(수 마이크론에서 수 밀리미터), 그리고 10 µm 이하의 면적을 갖는다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

We investigate the prospects for micron-scale acoustic wave components and circuits on chip in solid planar structures that do not require suspension. We leverage evanescent guiding of acoustic waves by high slowness contrast materials readily available in silicon complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes. High slowness contrast provides strong confinement of GHz frequency acoustic fields in micron-scale structures. We address the fundamental implications of intrinsic material and radiation losses on operating frequency, bandwidth, device size and as a result practicality of multi-element microphononic circuits based on solid embedded waveguides. We show that a family of acoustic components based on evanescently guided acoustic waves, including waveguide bends, evanescent couplers, Y-splitters, and acoustic-wave microring resonators, can be realized in compact, micron-scale structures, and provide basic scaling and performance arguments for these components based on material properties and simulations. We further find that wave propagation losses are expected to permit high quality factor (Q), narrowband resonators and propagation lengths allowing delay lines and the coupling or cascading of multiple components to form functional circuits, of potential utility in guided acoustic signal processing on chip. We also address and simulate bends and radiation loss, providing insight into routing and resonators. Such circuits could be monolithically integrated with electronic and photonic circuits on a single chip with expanded capabilities.

연구 동기 및 목표

• 고체 평판 파동도를 사용하고, 구조적 분리 없이도 마이크론 크기의 음향 회로가 칩에 구현 가능한지 평가한다.
• 소재의 내재 손실과 복사 손실이 기기 크기, 대역폭, 회로 복잡성에 미치는 기본적 제약 조건을 규명한다.
• CMOS 호환성 소재에서 고 속도 대비 비율을 활용한 마이크론 크기의 고성능 음향 구성 요소—굽힘, 커플러, 분할기, 공진기—를 실현한다.
• 전파 손실, Q 인자, 구성 요소 크기 측면에서 응집된 음향파도의 스케일링 및 성능 기준을 설정한다.
• 전자 및 광학 시스템과의 단일 칩 내 단일 통합을 통해 고도의 신호 처리를 위한 마이크로포논닉 회로를 실현한다.

제안 방법

• CMOS 호환성 있는 평판 구조에서 Si와 SiO₂ 등의 물질 간의 고속도 대비 비율을 활용해, 마이크론 크기의 횡단면에서 GHz 수준의 음향파를 강하게 응집시키는 방식을 사용한다.
• 유한 요소법(FEM) 시뮬레이션을 통해 파동도 기하학적 형상에서 음향장 분포, 전파 손실, 복사 손실을 모델링한다.
• 내재 소재 손실을 분석하기 위해 복소 탄성 모odulus 모델을 사용하여 1–100 GHz 주파수 범위에서 Q 인자와 선폭을 추정한다.
• 속도 대비 비율과 파동도 기하학적 형상에 기반한 구성 요소 크기의 스케일링 법칙을 유도하여, 10 µm 굽힘 및 커플러의 실현 가능성을 입증한다.
• 핵심 구성 요소를 설계하고 시뮬레이션한다: 복사 손실을 최소화하기 위해 S-형 기하 구조를 사용한 파동도 굽힘, 5 µm 이하의 커플링 길이를 갖는 방향성 커플러, 3 dB 대칭성을 확보한 Y-분할기, 고 Q 인자를 갖는 마이크로링 공진기.
• 모드 매칭 및 에너지 흐름 분석을 통해 굽힘 및 커플러에서의 복사 손실을 평가하여, 소형·저손실 루팅 전략을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속도 대비 비율이 큰 응집 국소화 방식이, 구조적 분리 없이도 고체 평판 CMOS 호환성 구조에서 마이크론 크기의 음향파도를 실현할 수 있는가?
• RQ2 내재 소재 손실과 복사 손실이 이러한 파도도의 작동 주파수, 대역폭, 전파 길이에 미치는 기본적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 응집 결합을 통해 10 µm 이하 면적을 갖는 소형·고 Q 인자 음향 구성 요소(굽힘, 커플러, 분할기, 공진기)를 실현할 수 있는가?
• RQ4 속도 대비 비율은 방향성 커플러의 최소 굽힘 반경과 커플링 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 구성 요소들이 얼마나 많은 수로 연결되거나 다중 요소의 기능성 마이크로포논닉 회로를 형성할 수 있는가?

주요 결과

• 복사 손실이 최소화된 10 µm 이하의 반경을 갖는 파동도 굽힘은 마이크로포논닉 회로에서의 소형 루팅을 실현할 수 있다.
• 3.35 GHz에서 효과적인 커플링 길이가 5 µm 이하인 방향성 커플러는 10 µm 이하의 구성 요소 면적을 실현할 수 있다.
• S-굽힘 기하 구조를 사용해 약 20 µm 길이, 10 µm 너비의 Y-분할기로 50:50 전력 분할을 설계할 수 있으며, 대칭성과 저손실을 확보할 수 있다.
• 고속도 대비 비율 파도도에서 제작된 마이크로링 공진기는 수천 수준의 Q 인자를 달성하여, 좁은 대역의 신호 처리를 지원할 수 있다.
• 전파 손실이 충분히 낮아 1–100 GHz 범위에서 수 마이크론에서 수 밀리미터의 전파 거리를 허용하여, 딜레이 라인 및 연속된 구성 요소 통합을 실현할 수 있다.
• 이 플랫폼은 CMOS 기반에서 전자 및 광학 시스템과의 단일 칩 내 통합을 지원하여, RF, 센서, 옵티모메카닉스 기반 신호 처리를 위한 고도의 칩 내 시스템을 실현할 수 있다.