[论文解读] Roadmap on Atto-Joule per Bit Modulators

Volker J. Sorger, Rubab Amin+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出了一条实现每比特1阿焦耳能量效率的片上电光调制器的技术路线，利用石墨烯基等离激元和光子-等离激元混合结构。该研究展示了一款每比特110 aJ、效率为0.05 dB/V/μm的调制器，以及一款770 nm长的器件，实现2 dB/V/μm性能，使光学计算和神经形态系统中的能量效率相比电子网络提升两个数量级。

ABSTRACT

Electrooptic modulation performs the conversion between the electrical and optical domain with applications in data communication for optical interconnects, but also for novel optical compute algorithms such as providing nonlinearity at the output stage of optical perceptrons in neuromorphic analogue optical computing. Since the clock frequency for photonics on chip has a power overhead sweet slot around 10s of GHz, ultrafast modulation may only be required in long distance communication, but not for short onchip links. Here we show a roadmap towards atto Joule per bit efficient modulators on chip as well as some experimental demonstrations of novel plasmon modulators with sub 1fJ per bit efficiencies. We then discuss the first experimental demonstration of a photon plasmon-hybrid Graphene-based electroabsorption modulator on silicon. The device shows a sub 1V steep switching enabled by near ideal electrostatics delivering a high 0.05dB per V um performance requiring only 110 aJ per bit. Improving on this design, we discuss a plasmonic slot based Graphene modulator design, where the polarization of the plasmonic mode matches with Graphenes inplane dimension. Here a push pull dual gating scheme enables 2dB per V um efficient modulation allowing the device to be just 770 nm short for 3dB small signal modulation. This in turn allows for a device-enabled two orders of magnitude improvement of electrical optical co integrated network on chips over electronic only architectures. The latter opens technological opportunities in in cognitive computing, dynamic data-driven applications system, and optical analogue compute engines to include neuromorphic photonic computing.

研究动机与目标

• 开发能量效率接近1 aJ/bit的片上电光调制器，实现超低功耗光互连。
• 通过光子集成克服集成电路中电子互连在能量和带宽方面的限制。
• 实现能效高效的光计算架构，尤其适用于神经形态和认知计算系统。
• 实验验证石墨烯基电吸收调制器实现子1 fJ/bit效率的可行性。
• 探索等离激元和混合光子-等离激元设计，以增强光-物质相互作用并减小器件尺寸。

提出的方法

• 利用具有近理想静电特性的石墨烯基电吸收调制器，实现在亚1 V偏置下的陡峭开关特性。
• 采用等离激元槽结构，使等离激元模式的偏振方向与石墨烯的面内光学响应对齐。
• 应用推拉式双栅极结构以提升调制效率并实现高速运行。
• 将石墨烯与硅兼容的等离激元波导集成，实现强场约束和低能耗运行。
• 采用混合光子-等离激元构型，结合低传播损耗与高场增强特性。
• 通过dB/V/μm和每比特能量（aJ/bit）等指标表征器件性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基电吸收调制器是否能在紧凑的片上设计中实现子1 fJ/bit的能量效率？
• RQ2 等离激元模式与石墨烯面内光学响应之间的偏振对齐如何影响调制效率？
• RQ3 双栅极结构在多大程度上可提升等离激元调制器的能量效率和带宽？
• RQ4 石墨烯基等离激元调制器在硅光子平台上的理论与实验能量效率极限是什么？
• RQ5 此类调制器是否能在片上网络架构中实现相比电子互连两个数量级的能量效率提升？

主要发现

• 石墨烯基电吸收调制器实现了每比特110 aJ、0.05 dB/V/μm的效率，证明了子1 fJ/bit的运行能力。
• 该器件在小于1 V偏置下表现出陡峭开关特性，得益于设计中近乎理想的静电特性。
• 基于等离激元槽的调制器设计实现了2 dB/V/μm的效率，使770 nm长的器件达到3 dB小信号调制带宽。
• 混合光子-等离激元构型在紧凑尺寸内实现了强光-物质相互作用和高场约束。
• 所提出的调制器使片上网络架构中的能量效率相比纯电子方案提升两个数量级。
• 研究结果为认知计算、动态数据驱动应用以及光模拟计算引擎中的光互连开辟了新路径。