In this research, we represent a nonvolatile memory device that can be accessed with an optical signal by measuring the transition of the resonant wavelength of the ring resonator. The optical memory device is a memory device capable of performing a read operation using an optical signal and is expected to be used as a high-speed memory device in optical communication. Silicon photonics has been utilized as a core technology of optical memory device research, due to its CMOS process compatibility and mass production capability. Although memory devices based on silicon photonics have been actively researched, researches to date have mainly focused on volatile memories, and only few nonvolatile memory devices have been reported. In this paper, we propose a nonvolatile optical memory device based on silicon photonic ring resonator structure. A nonvolatile memory device has been designed which can be accessed optically by measuring the change of the optical characteristic of the resonator, which is induced by charging the resonator through tunneling phenomena, resulting in the change of refractive index of the resonator’s waveguide.
The designed device was fabricated on a CMOS compatible silicon photonics platform using 248 nm KrF laser. It was experimentally confirmed that the fabricated device can operate as a memory device by changing the optical characteristics of the resonator through charging and discharging of charge when the voltage and laser light of 462 nm wavelength were applied together. Optical memory can be used for high-speed storage class memory, buffer memory in the communication systems and storage for optical computing. The proposed memory device is expected to be used as a core device that can realize an optical memory system due to its nonvolatility and high structural similarity with the conventional flash memory device.
광 메모리 소자는 광신호를 이용하여 읽기 동작을 수행할 수 있는 메모리 소자로, 광통신에서의 고속 메모리로 활용될 수 있어 기대받고 있으며, 실리콘 포토닉스는 대량생산의 용이성 및 기존 CMOS 공정과의 호환성 등의 장점으로 인해 광 메모리 소자 연구의 핵심 기반 기술로 활용되고 있다. 이에 실리콘 포토닉스 기반의 광 메모리에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 현재까지의 연구 결과는 휘발성 메모리에 집중되어 있으며 비휘발성 메모리 소자의 개발에 대해서는 보고된 바가 많지 않다. 이에 본 연구에서는 실리콘 포토닉스 소자인 링 공진기 구조를 기반으로 하는 비휘발성 광 메모리 소자를 제안한다. 링 공진기에 터널링 현상을 이용해 전하를 저장하는 방식을 통해 링 공진기의 도파로의 굴절률 변화를 여기하고, 이로 인한 공진기의 광학적 특성 변화를 측정해 광학적으로 엑세스 할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 설계하였다.
설계된 소자는 248 nm KrF 레이저를 이용한 CMOS 호환 가능한 실리콘 포토닉스 플랫폼에서 제작되었다. 제작된 소자는 전압과 462nm파장의 레이저 광을 함께 인가한 경우 전하의 충전과 방전을 통해 공진기의 광학적 특성이 변화해 메모리 소자로서 동작할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었으며, 대용량 자료 저장용 고속 메모리나 광 컴퓨팅의 저장 장치의 용도로 광 메모리가 적용될 수 있음을 검증하였다. 제안한 메모리 소자는 비휘발성, 기존 플래시 메모리 소자와의 유사성 등의 장점으로 인해 광 메모리 시스템을 실제 구현할 수 있는 핵심 소자로 활용 될 것으로 기대된다.
