[论文解读] Photonic Crystal Microcavities in Advanced Silicon-On-Insulator Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor Technology

Christopher V. Poulton, Xiaoge Zeng+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2014

Photonic Crystals and Applications被引用 1

一句话总结

本论文首次在无需晶圆厂内部修改的前提下，实现了在先进SOI CMOS工艺（IBM 45 nm 12SOI）中单片集成线性光子晶体微腔。通过基于三维本征模仿真设计与倏逝耦合结构，实现了2,000–4,000的负载Q因子以及高达100,000的本征损耗Q因子，成功实现了腔体与波导设计的解耦。

ABSTRACT

We demonstrate the first (to the best of our knowledge) monolithically integrated linear photonic crystal microcavities in an advanced SOI CMOS microelectronics process (IBM 45 nm 12SOI) with no in-foundry process modifications. The cavities were integrated into a standard microelectronics design flow meeting process design rules, and included in a chip set alongside standard microelectronic circuits and microprocessors in the same device layer as transistors. We demonstrate both 1520 nm wavelength telecom band and 1180 nm cavity designs, using different structures owing to design rule limitations. Loaded Q’s of 2,000 and 4,000, and extracted intrinsic loss Q’s of the order of 100,000 and 50,000 are demonstrated. We also demonstrate an evanescent coupling geometry which entirely decouples the cavity and waveguide-coupling design, and investigate some of the mode features inherent in this coupling approach. The cavities support extended modes due to the thin device layer that limits optical confinement, and as a result show a family of longitudinal resonant modes. Cavities were designed using a rigorous numerical synthesis based on 3D eigenmode simulation

研究动机与目标

• 在不修改工艺流程的前提下，实现光子晶体微腔在标准CMOS兼容SOI工艺中的单片集成。
• 实现与现有微电子设计流程和设计规则兼容的高品质因子光学腔。
• 通过定制化腔体结构，在1520 nm和1180 nm通信波长下实现器件工作。
• 开发并验证一种倏逝耦合结构，实现腔体与波导设计的解耦，提升集成灵活性。
• 表征薄器件层对集成微腔中光学限制与模场结构的影响。

提出的方法

• 采用严格的基于三维本征模仿真数值合成方法，设计具有定制化光学共振特性的光子晶体微腔。
• 按照标准工艺设计规则与微电子设计流程，将微腔集成至12SOI CMOS工艺（IBM 45 nm）中。
• 采用倏逝耦合结构，实现腔体与波导设计的解耦，支持独立优化。
• 由于SOI平台的设计规则限制，针对1520 nm与1180 nm工作波长分别设计了不同的腔体结构。
• 通过测量负载Q因子与本征损耗Q因子评估腔体性能，本征Q因子由提取的损耗参数推导得出。
• 分析因薄器件层导致的扩展模式特征，包括纵向共振模族。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子晶体微腔是否可在不进行晶圆厂内部修改的标准CMOS SOI工艺中实现单片集成？
• RQ2 在具有薄器件层的12SOI CMOS平台中，微腔可实现的Q因子上限是多少？
• RQ3 薄器件层如何影响集成微腔中的光学限制与模场结构？
• RQ4 在单片集成背景下，倏逝耦合结构是否能有效实现腔体与波导设计的解耦？
• RQ5 在相同工艺约束下，针对不同波长（1520 nm与1180 nm）时，会面临哪些设计权衡？

主要发现

• 首次在先进SOI CMOS工艺（IBM 45 nm 12SOI）中实现光子晶体微腔的单片集成，且无需任何晶圆厂内部工艺修改。
• 在1520 nm和1180 nm波长下，分别实现了2,000和4,000的负载Q因子，符合工艺设计规则的约束。
• 1520 nm与1180 nm腔体分别实现了约100,000和50,000的本征损耗Q因子。
• 薄器件层导致光学模式扩展，并形成纵向共振模族，这是由于横向限制能力受限所致。
• 成功实现了倏逝耦合结构，实现了腔体与波导设计的完全解耦，显著提升了集成灵活性。
• 基于三维本征模仿真合成的方法，即使在工艺与几何约束下，也能精确控制腔体共振特性。