실리콘 광전자

Silicon photonics

실리콘 광전자학은 실리콘을 광학 매체로 사용하는 광학 시스템의 연구와 응용이다.[1][2][3][4][5] 실리콘은 보통 미크로미터 이하의 정밀도로, 마이크로소닉 부품으로 패턴화된다.[4] 이것들은 적외선에서 작동하며, 가장 일반적으로 대부분의 광섬유 통신 시스템이 사용하는 1.55 마이크로미터 파장에서 작동한다.[6] 실리콘은 일반적으로 (마이크로 전자공학에서의 유사한 구조와 유사하게) 절연체(SOI)에 실리콘이라고 알려진 것의 실리카 층 위에 놓여 있다.[4][5]

실리콘 광전자 300mm 웨이퍼

실리콘 광소자는 기존 반도체 제작 기법을 이용해 만들 수 있고, 실리콘은 이미 대부분의 집적회로의 기질로 사용되고 있기 때문에 광학·전자부품이 하나의 마이크로칩에 집적되는 하이브리드 소자를 만들 수 있다.[6] 결과적으로, 실리콘 광전자학은 마이크로칩 사이와 마이크로칩 내 모두에서 더 빠른 데이터 전송을 제공하기 위해 광학 상호 연결을 사용하여 무어의 법칙을 준수하기 위한 수단으로 IBM과 인텔을 포함한 많은 전자제품 제조업체와 학술 연구 그룹에 의해 활발하게 연구되고 있다.[7][8][9]

실리콘 장치를 통한 빛의 전파는 커 효과, 라만 효과, 2-광자 흡수 및 광자와 자유 전하 캐리어 사이의 상호작용을 포함한 비선형 광학 현상의 범위에 의해 제어된다.[10] 빛이 빛과 상호작용을 가능하게 하여 [11]빛의 수동적 전달에 더해 파장 변환과 모든 광학 신호 라우팅과 같은 응용을 허용하기 때문에 비선형성의 존재는 근본적으로 중요하다.

실리콘 도파관 역시 독특한 유도 특성 때문에 통신, 인터커넥트, 바이오센서 등에 사용할 수 있으며,[12][13] 솔리톤 전파와 같은 이국적인 비선형 광학 현상을 지원할 수 있는 가능성을 제공한다.[14][15][16]

Applications

Optical communications

In a typical optical link, data is first transferred from the electrical to the optical domain using an electro-optic modulator or a directly-modulated laser. An electro-optic modulator can vary the intensity and/or the phase of the optical carrier. In silicon photonics, a common technique to achieve modulation is to vary the density of free charge carriers. Variations of electron and hole densities change the real and the imaginary part of the refractive index of silicon as described by the empirical equations of Soref and Bennett.[17] Modulators can consist of both forward-biased PIN diodes, which generally generate large phase-shifts but suffer of lower speeds,[18] as well as of reverse-biased PN junctions.[19] A prototype optical interconnect with microring modulators integrated with germanium detectors has been demonstrated.[20][21] Non-resonant modulators, such as Mach-Zehnder interferometers, have typical dimensions in the millimeter range and are usually used in telecom or datacom applications. Resonant devices, such as ring-resonators, can have dimensions of few tens of micrometers only, occupying therefore much smaller areas. In 2013, researchers demonstrated a resonant depletion modulator that can be fabricated using standard Silicon-on-Insulator Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (SOI CMOS) manufacturing processes.[22] A similar device has been demonstrated as well in bulk CMOS rather than in SOI.[23][24]

On the receiver side, the optical signal is typically converted back to the electrical domain using a semiconductor photodetector. The semiconductor used for carrier generation has usually a band-gap smaller than the photon energy, and the most common choice is pure germanium.[25][26] Most detectors utilize a PN junction for carrier extraction, however, detectors based on metal–semiconductor junctions (with germanium as the semiconductor) have been integrated into silicon waveguides as well.[27] More recently, silicon-germanium avalanche photodiodes capable of operating at 40 Gbit/s have been fabricated.[28][29] Complete transceivers have been commercialized in the form of active optical cables.[30]

광통신은 연결의 범위 또는 길이에 따라 편리하게 분류된다. 지금까지 실리콘 광통신의 대부분은 도달 거리가 각각 수 킬로미터 또는 수 미터인 [32][33]통신과[31] 데이터콤 애플리케이션으로 제한되어 왔다.

그러나 실리콘 광전자학은 광학 링크의 도달 범위가 센티미터에서 미터인 컴퓨터콤에서도 상당한 역할을 할 것으로 예상된다. 사실, 컴퓨터 기술의 진보 (그리고 무어의 법칙의 지속)는 마이크로칩 사이의 더 빠른 데이터 전송에 점점 더 의존하고 있다.[34] 광학 상호 연결은 앞으로 나아갈 길을 제공할 수 있으며, 표준 실리콘 칩에 통합되면 실리콘 광전자학이 특히 유용하다는 것을 증명할 수 있다.[6][35][36] 2006년 패트 겔신저 전 인텔 수석 부사장은 "오늘날 광학 기술은 틈새 기술이다. 내일은 우리가 만드는 모든 칩의 주류다."[8]

광학 입출력(I/O)이 있는 최초의 마이크로프로세서는 2015년 12월에 "제로 체인지" CMOS 광전자학이라고 알려진 접근방식을 사용하여 시연되었다.[37] 이 첫 번째 시연은 45nm SOI 노드를 기반으로 하며, 양방향 칩-대-칩 링크가 2×2.5 Gbit/s의 속도로 작동되었다. 링크의 총 에너지 소비량은 16pJ/b로 계산되었으며 오프칩 레이저의 기여도가 지배적이었다.

일부 연구자들은 온칩 레이저 소스가 필요하다고 믿는다.[38] 다른 이들은 열 문제(온도에 따라 양자 효율이 떨어지고 컴퓨터 칩이 일반적으로 뜨겁다)와 CMOS 호환성 문제 때문에 오프칩을 유지해야 한다고 생각한다. 그러한 장치 중 하나가 하이브리드 실리콘 레이저인데, 실리콘이 다른 반도체(인듐인산염 등)에 라싱 매질처럼 접합되어 있다.[39] 다른 장치로는 실리콘이 라싱 매체 역할을 하는 올실리콘 라만 레이저[40] 또는 올실리콘 브릴린 레이저가[41] 있다.

2012년 IBM은 표준 기법을 이용해 제조할 수 있는 90나노미터 규모의 광학부품을 달성하고 기존 칩에 통합했다고 발표했다.[7][42] 인텔은 2013년 9월 데이터센터 내 서버를 연결하기 위해 직경 5mm 정도의 케이블을 통해 초당 100기가비트 속도로 데이터를 전송하는 기술을 발표했다. 기존의 PCI-E 데이터 케이블은 초당 최대 8기가비트의 속도로 데이터를 전송하며 네트워킹 케이블은 40Gbit/s에 이른다. USB 표준의 최신 버전은 10 Gbit/s로 가장 높다. 이 기술은 전기와 광학 신호를 상호 변환하기 위해 별도의 회로 기판이 필요하다는 점에서 기존 케이블을 직접 대체하지는 않는다. 이 제품의 첨단 속도는 랙의 블레이드를 연결하는 케이블의 수를 줄이고 프로세서, 스토리지, 메모리를 별도의 블레이드로 분리하여 보다 효율적인 냉각과 동적 구성이 가능하도록 할 수 있는 가능성을 제공한다.[43]

그래핀 광검출기는 빠른 개선에도 불구하고 현재 발전 용량보다 약 1배 정도 뒤처져 있지만 몇 가지 중요한 측면에서 게르마늄 소자를 능가할 가능성이 있다. 그래핀 장치는 매우 높은 주파수에서 작동할 수 있으며, 원칙적으로 더 높은 대역폭에 도달할 수 있다. 그래핀은 게르마늄보다 더 넓은 파장을 흡수할 수 있다. 그러한 속성은 동일한 광선 빔에서 동시에 더 많은 데이터 스트림을 전송하기 위해 이용될 수 있다. 게르마늄 검출기와 달리 그래핀 광검출기는 인가전압이 필요하지 않아 에너지 수요를 줄일 수 있다. 마지막으로 그래핀 검출기는 원칙적으로 더 단순하고 비용이 덜 드는 온칩 통합을 허용한다. 그러나 그래핀은 빛을 강하게 흡수하지 않는다. 실리콘 도파관과 그래핀 시트를 결합하면 빛이 더 잘 전달되고 상호작용이 극대화된다. 그러한 장치는 2011년에 처음으로 시연되었다. 재래식 제조기법을 사용한 그러한 장치 제조는 입증되지 않았다.[44]

광 라우터 및 신호 프로세서

실리콘 광전자학의 또 다른 응용은 광통신용 신호 라우터에 있다. 여러 부품에 걸쳐 광학 및 전자 부품을 분산시키는 것이 아니라 같은 칩에 있는 광학 및 전자 부품을 조작하여 시공 작업을 크게 간소화할 수 있다.[45] 더 넓은 목표는 광학 신호 처리로, 전자 형태로 신호를 조작하여 일반적으로 수행하는 작업을 광학 형태로 직접 수행하는 것이다.[3][46] 중요한 예로는 광학 신호의 라우팅이 다른 광학 신호에 의해 직접 제어되는 모든 광학 스위칭이 있다.[47] 또 다른 예는 모든 광파장 변환이다.[48]

2013년 캘리포니아와 이스라엘에 본사를 둔 '컴퍼스-EOS'라는 스타트업이 상업용 실리콘 투 포토닉 라우터를 최초로 선보였다.[49]

실리콘 광자를 이용한 장거리 통신

실리콘 마이크로토닉은 마이크로 스케일, 초저전력 장치를 제공함으로써 잠재적으로 인터넷의 대역폭 용량을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 이것이 성공적으로 달성된다면 데이터 센터의 전력 소비량이 현저히 감소할 수 있다. 산디아,[50] 코투라, NTT, 후지쓰, 그리고 여러 학원의 연구자들은 이러한 기능성을 증명하기 위해 노력해 왔다. 2010년 논문은 마이크로로링 실리콘 장치를 사용한 80km, 12.5Gbit/s의 프로토타입에 대해 보고했다.[51]

Light-field displays

As of 2015, US startup company Magic Leap is working on a light-field chip using silicon photonics for the purpose of an augmented reality display.[52]

Artificial neural networks

Companies such as US-based Lightmatter are developing photonic chips specialized to processing matrix multiplication calculations used in neural machine learning models.[53]

Physical properties

Optical guiding and dispersion tailoring

Silicon is transparent to infrared light with wavelengths above about 1.1 micrometres.[54] Silicon also has a very high refractive index, of about 3.5.[54] The tight optical confinement provided by this high index allows for microscopic optical waveguides, which may have cross-sectional dimensions of only a few hundred nanometers.[10] Single mode propagation can be achieved,[10] thus (like single-mode optical fiber) eliminating the problem of modal dispersion.

The strong dielectric boundary effects that result from this tight confinement substantially alter the optical dispersion relation. By selecting the waveguide geometry, it is possible to tailor the dispersion to have desired properties, which is of crucial importance to applications requiring ultrashort pulses.[10] In particular, the group velocity dispersion (that is, the extent to which group velocity varies with wavelength) can be closely controlled. In bulk silicon at 1.55 micrometres, the group velocity dispersion (GVD) is normal in that pulses with longer wavelengths travel with higher group velocity than those with shorter wavelength. By selecting a suitable waveguide geometry, however, it is possible to reverse this, and achieve anomalous GVD, in which pulses with shorter wavelengths travel faster.[55][56][57] Anomalous dispersion is significant, as it is a prerequisite for soliton propagation, and modulational instability.[58]

In order for the silicon photonic components to remain optically independent from the bulk silicon of the wafer on which they are fabricated, it is necessary to have a layer of intervening material. This is usually silica, which has a much lower refractive index (of about 1.44 in the wavelength region of interest[59]), and thus light at the silicon-silica interface will (like light at the silicon-air interface) undergo total internal reflection, and remain in the silicon. This construct is known as silicon on insulator.[4][5] It is named after the technology of silicon on insulator in electronics, whereby components are built upon a layer of insulator in order to reduce parasitic capacitance and so improve performance.[60]

커 비선형성

실리콘은 광학적 강도에 따라 굴절률이 높아진다는 점에서 커 비선형성에 초점을 맞춘다.[10] 이 효과는 벌크 실리콘에서는 특별히 강하지 않지만 실리콘 도파관을 사용하여 아주 작은 단면적에 빛을 집중시킴으로써 크게 강화될 수 있다.[14] 이를 통해 저전력에서 비선형 광학 효과를 볼 수 있다. 실리콘의 높은 굴절률을 사용하여 강한 비선형 폴리머로 채워진 중심 영역에 빛을 고정하는 슬롯 도파관을 사용하면 비선형성을 더욱 높일 수 있다.[61]

커 비선형성은 다양한 광학적 현상의 기초가 된다.[58] 하나의 예는 4개의 파장 혼합인데, 실리콘에 적용되어 광학적 파라메트릭 증폭,[62] 파라메트릭 파장 변환,[48] 주파수 빗 생성 등을 실현하고 있다.[63][64]

커 비선형성은 또한 광학 파형의 편차를 보강하여 스펙트럼 사이드밴드의 생성과 궁극적으로 파형이 일련의 펄스로 분해되는 변조적 불안정성을 야기할 수 있다.[65] 또 다른 예(아래 설명과 같이)는 솔리톤 전파다.

투포톤 흡수

실리콘은 광자 한 쌍이 전자 구멍 쌍을 흥분시키는 작용을 할 수 있는 2광자 흡수(TPA)를 보인다.[10] 이 과정은 커 효과와 관련이 있으며, 복잡한 굴절률과 유추하여 복잡한 커의 비선형성의 상상적인 부분으로 생각할 수 있다.[10] 1.55마이크로미터 통신 파장에서 이 상상의 부분은 실제 부분의 약 10%이다.[66]

TPA의 영향은 두 가지 모두 빛을 낭비하고 원치 않는 열을 발생시키기 때문에 매우 파괴적이다.[67] 그러나 긴 파장으로 전환하거나(TPA 대 커 비율이 떨어지는 경우),[68] 슬롯 도파관(내부 비선형 재료의 TPA 대 커 비율이 낮은 경우)을 사용하여 완화시킬 수 있다.[61] 또는 TPA를 통해 손실된 에너지를 발생된 충전 캐리어에서 추출하여 부분적으로 회수할 수 있다(아래 설명 참조).[69]

자유 충전 캐리어 상호 작용

실리콘 내의 자유 전하 캐리어는 광자를 흡수하고 그 굴절률을 변화시킬 수 있다.[70] 이는 TPA에 의해 축적되는 반송파 농도로 인해 높은 강도와 긴 시간 동안 특히 중요하다. 무료 충전 통신사의 영향은 원하지 않는 경우가 많으며(그러나 항상은 아님) 이를 제거하기 위한 다양한 수단이 제안되어 왔다. 그러한 방법 중 하나는 운송업자 재조합을 강화하기 위해 실리콘에 헬륨을 이식하는 것이다.[71] 적절한 기하학적 선택은 또한 운반자 수명을 줄이는 데 사용될 수 있다. 리브 도파관(파형이 실리콘의 더 넓은 층에서 두꺼운 영역으로 구성된 경우)은 실리카-실리콘 인터페이스에서의 반송파 재결합과 도파관 코어의 반송파를 모두 강화한다.[72]

반송파 제거를 위한 보다 발전된 계획은 도파관을 PIN 다이오드의 내적 영역에 통합하는 것인데, 이는 반송파가 도파관 코어로부터 멀어지도록 역방향 편향되어 있다.[73] 보다 정교한 계획은 전압과 전류가 위상을 벗어나는 회로의 일부로 다이오드를 사용함으로써 도파관으로부터 전력을 추출할 수 있게 하는 것이다.[69] 이 동력의 근원은 두 개의 광자 흡수로 손실된 빛이기 때문에, 그 일부를 회수함으로써 순 손실(및 열이 발생하는 속도)을 줄일 수 있다.

위에서 언급했듯이, 빛을 조절하기 위해 무료 충전 캐리어 효과를 건설적으로 사용할 수도 있다.[18][19][74]

2차 비선형성

2차 비선형성은 그 결정구조의 중심대칭성 때문에 벌크 실리콘에서는 존재할 수 없다. 그러나 스트레인을 적용하면 실리콘의 반전 대칭성이 깨질 수 있다. 이것은 예를 들어 얇은 실리콘 필름에 질화 실리콘 층을 침전시킴으로써 얻을 수 있다.[75] 2차 비선형 현상은 광 변조, 자발적 파라메트릭 다운-변환, 파라메트릭 증폭, 초고속 광신호 처리 및 중간 적외선 발생에 활용할 수 있다. 그러나 효율적인 비선형 변환은 관련된 광파 간의 위상 일치가 필요하다. 경직된 실리콘에 기초한 2차 비선형 도파관은 분산 공학에 의해 위상 일치를 달성할 수 있다.[76] 그러나 지금까지는 위상 일치되지 않는 설계에 대해서만 실험 시연이다.[77] 위상 일치는 비선형 유기 피복재로[78] 코팅된 실리콘 이중 슬롯 도파관과 주기적으로 변형된 실리콘 도파관에서도 얻을 수 있는 것으로 나타났다.[79]

The Raman effect

Silicon exhibits the Raman effect, in which a photon is exchanged for a photon with a slightly different energy, corresponding to an excitation or a relaxation of the material. Silicon's Raman transition is dominated by a single, very narrow frequency peak, which is problematic for broadband phenomena such as Raman amplification, but is beneficial for narrowband devices such as Raman lasers.[10] Early studies of Raman amplification and Raman lasers started at UCLA which led to demonstration of net gain Silicon Raman amplifiers and silicon pulsed Raman laser with fiber resonator (Optics express 2004). Consequently, all-silicon Raman lasers have been fabricated in 2005.[40]

The Brillouin effect

In the Raman effect, photons are red- or blue-shifted by optical phonons with a frequency of about 15 THz. However, silicon waveguides also support acoustic phonon excitations. The interaction of these acoustic phonons with light is called Brillouin scattering. The frequencies and mode shapes of these acoustic phonons are dependent on the geometry and size of the silicon waveguides, making it possible to produce strong Brillouin scattering at frequencies ranging from a few MHz to tens of GHz.[80][81] Stimulated Brillouin scattering has been used to make narrowband optical amplifiers[82][83][84] as well as all-silicon Brillouin lasers.[41] The interaction between photons and acoustic phonons is also studied in the field of cavity optomechanics, although 3D optical cavities are not necessary to observe the interaction.[85] For instance, besides in silicon waveguides the optomechanical coupling has also been demonstrated in fibers[86] and in chalcogenide waveguides.[87]

Solitons

The evolution of light through silicon waveguides can be approximated with a cubic Nonlinear Schrödinger equation,[10] which is notable for admitting sech-like soliton solutions.[88] These optical solitons (which are also known in optical fiber) result from a balance between self phase modulation (which causes the leading edge of the pulse to be redshifted and the trailing edge blueshifted) and anomalous group velocity dispersion.[58] Such solitons have been observed in silicon waveguides, by groups at the universities of Columbia,[14] Rochester,[15] and Bath.[16]

참조

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