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体硅互补金属氧化物半导体工艺中的耗尽型多晶硅光学调制器。

Depletion-mode polysilicon optical modulators in a bulk complementary metal-oxide semiconductor process.

机构信息

Department of Electrical, Computer and Energy Engineering, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309, USA.

出版信息

Opt Lett. 2013 Aug 1;38(15):2729-31. doi: 10.1364/OL.38.002729.

Abstract

We demonstrate depletion-mode carrier-plasma optical modulators fabricated in a bulk complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), DRAM-emulation process. To the best of our knowledge, these are the first depletion-mode modulators demonstrated in polycrystalline silicon and in bulk CMOS. The modulators are based on novel optical microcavities that utilize periodic spatial interference of two guided modes to create field nulls along waveguide sidewalls. At these nulls, electrical contacts can be placed while preserving a high optical Q. These cavities enable active devices in a process with no partial silicon etch and with lateral p-n junctions. We demonstrate two device variants at 5 Gbps data modulation rate near 1610 nm wavelength. One design shows 3.1 dB modulation depth with 1.5 dB insertion loss and an estimated 160 fJ/bit energy consumption, while a more compact device achieves 4.2 dB modulation depth with 4.0 dB insertion loss and 60 fJ/bit energy consumption. These modulators represent a significant breakthrough in enabling active photonics in bulk silicon CMOS--the platform of the majority of microelectronic logic and DRAM processes--and lay the groundwork for monolithically integrated CMOS-to-DRAM photonic links.

摘要

我们展示了在体硅互补金属氧化物半导体(CMOS)、DRAM 仿真工艺中制造的耗尽型载流子等离子体光调制器。据我们所知,这些是首次在多晶硅和体硅 CMOS 中展示的耗尽型调制器。这些调制器基于新颖的光学微腔,利用两个导模的周期性空间干涉在波导侧壁产生场零点。在这些零点处,可以放置电接触,同时保持高光学 Q 值。这些腔体能在不进行局部硅刻蚀且具有横向 p-n 结的工艺中实现有源器件。我们在 1610nm 波长附近的 5Gbps 数据调制速率下展示了两种器件变体。一种设计在 1.5dB 插入损耗下实现了 3.1dB 的调制深度和估计的 160fJ/bit 能量消耗,而更紧凑的器件在 4.0dB 插入损耗和 60fJ/bit 能量消耗下实现了 4.2dB 的调制深度。这些调制器在实现体硅 CMOS 中的有源光子学方面取得了重大突破——这是大多数微电子逻辑和 DRAM 工艺的平台——为单片集成 CMOS 到 DRAM 光子链路奠定了基础。

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