[논문 리뷰] Towards an optical FPGA - Programmable silicon photonic circuits

Xia Chen, Milan M. Milošević외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 04.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이온 주입된 웨이브가이드와 국소적 레이저 앤낼링을 사용하여 방향성 커퍼를 영구적으로 프로그래밍함으로써, 전력 소모 없이 후공정 단계에서 재구성 가능한 광학 FPGA처럼 작동하는 재구성 가능한 실리콘 포토닉 회로를 만드는 새로운 접근법을 제시한다. 이 기술은 지속 전력이 필요 없이 라우팅 경로를 재구성할 수 있으며, 비버니시티 기능을 갖춘 1×4 및 2×2 프로그래머블 스위칭 회로를 구현하여 성공적으로 검증하였다.

ABSTRACT

A novel technique is presented for realising programmable silicon photonic circuits. Once the proposed photonic circuit is programmed, its routing is retained without the need for additional power consumption. This technology enables a uniform multi-purpose design of photonic chips for a range of different applications and performance requirements, as it can be programmed for each specific application after chip fabrication. Therefore the cost per chip can be dramatically reduced because of the increase in production volume, and rapid prototyping of new photonic circuits is enabled. Essential building blocks for programmable circuits, erasable directional couplers (DCs) were designed and fabricated, utilising ion implanted waveguides. We demonstrate permanent switching between the drop port and through port of the DCs using a localised post-fabrication laser annealing process. Proof-of-principle demonstrators in the form of generic 1X4 and 2X2 programmable switching circuits were then fabricated and subsequently programmed, to define their function.

연구 동기 및 목표

• 후공정 단계에서 지속적인 전력 소모 없이 빛의 경로를 프로그래밍할 수 있는 재구성 가능한 실리콘 포토닉 플랫폼을 개발한다.
• 다양한 응용 분야에 맞는 단일 칩 설계를 가능하게 하여 칩당 비용을 낮추고 프로토타이핑 속도를 향상시킨다.
• 국소적 레이저 앤낼링 공정을 통해 비버니시티 기능을 갖춘 영구적인 재구성 기능을 실현한다.
• 개념 증명용으로 일반적인 1×4 및 2×2 스위칭 회로를 제작하고 검증한다.
• 다양한 성능 및 응용 요구사항을 충족할 수 있는 확장 가능하고 균일한 포토닉 칩 아키텍처를 구축한다.

제안 방법

• 이온 주입을 통해 웨이브가이드 특성을 수정함으로써 가역적인 방향성 커퍼(DC)의 설계 및 제작.
• 후공정 단계에서 국소적 레이저 앤낼링을 적용하여 DC의 커플링 상태를 영구적으로 변경함으로써 드롭 및 스루 포트 간 전환 기능을 구현.
• 이러한 프로그래머블 DC를 일반적인 1×4 및 2×2 포토닉 스위칭 회로에 통합.
• 제어된 굴절률 변화를 갖는 조절 가능한 웨이브가이드 영역을 만들기 위해 이온 주입을 활용.
• 특정 영역에만 선택적으로 레이저 앤낼링을 적용하여 영구적인 구조적 및 광학적 변화를 유도.
• 프로그래밍된 회로의 동작을 실험적으로 검증함으로써 라우팅 기능을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 주입된 실리콘 웨이브가이드를 사용하여 비버니시티 기능을 갖춘 재구성 가능한 포토닉 컴포넌트를 만들 수 있는가?
• RQ2 국소적 레이저 앤낼링이 실리콘 포토닉 회로 내 방향성 커퍼의 커플링 상태를 영구적으로 변경할 수 있는가?
• RQ3 단일 포토닉 칩 설계를 후공정 단계에서 전력 소모 없이 다양한 응용 분야에 재프로그래밍할 수 있는가?
• RQ4 이 방법을 사용하여 일반적인 재구성 가능한 스위칭 회로(1×4 및 2×2)를 구현하는 데 실현 가능할까?
• RQ5 이 방법은 응용 특화 포토닉 집적 회로의 저비용·대량 생산을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 이온 주입을 통해 가역적인 방향성 커퍼를 성공적으로 제작하였으며, 드롭 포트와 스루 포트 간의 영구적 전환 기능을 입증하였다.
• 국소적 레이저 앤낼링을 통해 DC의 비버니시티 재구성 기능을 실현하였으며, 프로그래밍 후에도 라우팅 상태가 무기한 유지됨을 확인하였다.
• 개념 증명용 1×4 및 2×2 프로그래머블 스위칭 회로를 제작하고, 그 광학적 라우팅 기능을 성공적으로 프로그래밍하였다.
• 추가 전력 소모 없이도 라우팅 구성이 안정적으로 유지되어 에너지 효율적인 응용 특화 포토닉 회로를 실현하였다.
• 이 방법은 다양한 응용 분야에 적합한 빠른 프로토타이핑과 균일한 칩 설계를 가능하게 하여 대량 생산을 통한 칩당 비용 절감에 기여한다.
• 이 방법은 고정 기능을 가진 포토닉 집적 회로의 한계를 극복하고 후공정 단계에서 포토닉 회로의 맞춤형 설계를 가능하게 한다.