Silicon photonics is a technology platform that can mass-produce optical integrated circuits on silicon wafers. This technology utilizes the existing CMOS-VLSI foundry process infrastructure to simultaneously mass produce at low cost with electronic integrated circuits. Recently, traffic between data centers is expected to explode due to 5G, Big Data, and other connection services. As a solution to this problem, optical transceiver technology having a low power and a wide bandwidth has been attracting attention. The optical modulator is an essential element of an optical transceiver and is being actively developed. In this thesis, we tried to implement a high performance Mach-Zehnder based optical modulator (MZM) was implemented thorough silicon photonics technology and we developed core technology in cooperation with National Nano Fab Center (NNFC).
Through the design of various PN junctions and microwave transmission line, a modulator with wide bandwidth was fabricated and characterized. A PAM-4 modulated silicon photonic Mach-Zehnder optical modulator has the advantage of increased bandwidth, but has a high penalty for signal-to-noise ratio, so it is sensitive to the linearity of the components and thus requires a high extinction ratio. Therefore, a high efficiency multi electrode MZM is realized by PN junctions with vertical depletion and interleaved PN juction operating at 1550 nm. Through three times fabrication of optical integrated circuit, passive and active devices were characterized. A 6 dB extinction ratio and a 45 Ghz 3-dB electro optic bandwidth was measured at 4 V reverse biased. Optical modulators that can be driven under low voltage conditions are advantageous for packaging. A 56 Gbps PAM-4 modulated Silicon MZM at a single wavelength will be an integral part of the 200 Gbps optical interconnect.
실리콘 포토닉스는 실리콘 웨이퍼 상에 광 집적회로를 대량으로 제작할 수 있는 기술이다. 이 기술은 기존 CMOS 공정 인프라를 이용할 수 있어 전자 집적회로와 동시에 제작 가능하고, 대량으로 생산하여 비용측면에서 강력한 이점을 가지고 있다. 최근 4차 산업혁명으로 인하여 유무선 가입자와 데이터 센터간 트래픽이 증가할 것으로 보인다. 이에 대한 해결책으로 저 전력, 넓은 대역폭을 가지는 광 트랜시버 기술이 주목 받고 있다. 광 변조기는 광 트랜시버의 필수 요소로서, 개발이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 고성능의 마하-젠더 기반의 광 변조기를 실리콘 포토닉스 기술을 통하여 구현하고자 하였으며, 나노종합기술원(NNFC)과 협력하여 핵심원천기술을 확보하고자 하였다.
여러 종류의 PN 접합과 마이크로파 전송선로의 디자인을 통하여 넓은 대역폭을 가지는 변조기를 제작 및 특성화 하였다. PAM-4 변조방식의 실리콘 포토닉스 기반 마하-젠더 광 변조기는 대역폭 증가의 이점을 가지는 반면, 신호대 잡음비에 대한 패널티가 크기 때문에 구성 부품의 선형성에 민감하여 높은 소광비가 요구된다. 따라서 수직 공핍증을 가지는 PN 접합과 인터리브드 구조의 PN 접합을 통하여 목표에 부합하는 고효율의 다중 선로 광 변조기를 제작하였다. 총3번의 광학 집적회로 제작을 통하여 수동 및 능동 소자를 특성화 하였고, 1550 nm 파장 대역에서 동작하는 PN 접합을 구현하였다. 2 mm 길이의 PN 접합에 4 V 역 전압을 가해 주었을 때 45 GHz 이상의 3-dB EO 대역폭과 6 dB 이상의 소광비를 가지는 것을 확인하였다. 저 전압 조건에서 구동 가능한 광 변조기는 패키징에 유리하며 실제 광 트랜시버에 적용하기 용이하다. 단일파장에서 56 Gbps급 PAM-4 변조 가능한 실리콘 광 변조기는 200 Gbps 급 광 인터커넥트에 필수 부품으로 자리매김 할 것이다.