Toward ultra-low power photonics: electrostatic MEMS modulation

Abstract

본 논문은 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 기술의 대규모 집적과 상용화를 위한 핵심 과제인 전력 소모, 열 간섭, 그리고 변조 속도 문제를 동시에 해결하기 위해, 정전기 방식의 미세전자기계시스템(MEMS)을 이용한 초저전력·고속 광 변조 소자와 시스템에 관하여 기술합니다. 기존의 열광학(Thermo-optic) 변조 방식은 소자 간 열 간섭과 높은 정적 전력 소모로 인해 고밀도 집적에 한계가 있었으며, 전기광학(Electro-optic) 방식은 빠른 응답 속도를 제공하지만 큰 소자 길이와 큰 광 손실로 인해 대규모 집적에 적합하지 않습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 정전기적 MEMS 액추에이터를 활용한 새로운 변조 메커니즘을 제안합니다. 첫째, MEMS 가변형 사냑 루프 반사기(Sagnac Loop Reflector, SLR)와 위상 변조기를 결합하여 투과율, 반사율 및 공진 파장을 독립적으로 정밀 제어할 수 있는 완전 가변형 패브리-페로(Fabry-Pérot) 공진기를 구현하였습니다. 실험 결과, 해당 소자는 25 μs 미만의 빠른 재구성 속도를 보였으며, 상태 유지를 위한 정적 전력 소모는 펨토와트(fW) 수준으로 기존 방식 대비 획기적으로 낮음을 확인하였습니다. 둘째, 이를 시스템 단위로 확장하여 73개의 가변 소자가 집적된 재순환형 프로그래머블 광집적회로(Programmable Photonic Integrated Circuit, PPIC)를 시연하였습니다. 본 PPIC는 단위 셀 면적을 기존 대비 4~10배 축소하면서도 최대 49 dB의 높은 소멸비를 달성하였습니다. 또한, 소자 재구성에 필요한 에너지는 최대 40 pJ 수준으로, 이는 현재까지 보고된 어레이 수준의 광집적회로 중 가장 낮은 수치입니다. 셋째, 기존 MEMS 변조기의 본질적 한계였던 마이크로초(μs) 수준의 느린 응답 속도를 극복하기 위해, 액추에이터의 전극을 광 도파로 구조에 내재화하고 기계 스프링의 강성을 극대화함으로써 기계적 공진 주파수를 37 MHz까지 끌어올린 신규 고속 MEMS 위상 변조기를 제안하였습니다. 제안된 소자는 120 μm의 초소형 길이에서 9.0 ns의 상승 시간 및 5.6 ns의 하강 시간을 달성하였으며, π 위상 변조에 필요한 정적 전력은930 pW, 단위 광 손실은 0.4 dB에 불과합니다. 이는 고속성, 저손실, 소형화, 저전력이라는 광 변조기의 네 가지 핵심 성능 지표를 단일 플랫폼에서 동시에 만족시킨 최초의 결과입니다. 결론적으로, 본 학위논문에서 제안하고 실험적으로 증명한 실리콘 포토닉 MEMS 플랫폼은 단위 소자 수준의 검증을 넘어 대규모 집적과 나노초급 고속 동작을 모두 만족함으로써, 광 신경망 가속기, 광양자 정보 처리, 차세대 광 인터커넥트 등 차세대 대규모 광학 시스템 구현을 위한 핵심적인 저전력·고밀도·고속 집적 솔루션이 될 것으로 기대됩니다. |Silicon photonics has emerged as a cornerstone for next-generation optoelectronic systems due to its inherent compatibility with CMOS manufacturing processes. However, traditional tuning mechanisms — most notably thermo-optic methods — face critical challenges such as high electrical power consumption and thermal crosstalk that severely hinder large-scale, high-density integration, while electro-optic alternatives offer fast modulation but suffer from large device footprints and significant insertion losses. This dissertation presents a comprehensive study on integrated photonic devices and systems that utilize electrostatic micro-electromechanical systems (MEMS) to simultaneously achieve ultra-low power, compact, and ultimately nanosecond-class optical modulation. First, we demonstrate a fully tunable Fabry–Pérot (FP) cavity based on MEMS-tunable Sagnac loop reflectors (SLRs) and MEMS-tunable phase shifters. By utilizing electrostatic actuators, the device enables precise and independent control over transmissivity, reflectivity, and resonant wavelength with reconfiguration times of less than 25 μs. The measured static electrical power consumption is less than 10 fW for the tunable directional coupler and 7.2 fW for the phase shifter, representing a reduction of several orders of magnitude compared to conventional thermo-optic tuners. Reconfiguration energies are maintained at tens of pJ levels. Building on these unit cells, the scalability of the technology is explored through the implementation of programmable photonic integrated circuits (PPICs). We report a recirculating-type PPIC network featuring 30 cells and 73 tunable elements within a compact area of 2.7 × 3 mm². The individual building blocks exhibit high extinction ratios — up to 49 dB for tunable couplers — and low insertion losses, facilitating the construction of high-order filters and unitary optical gates. The devices were fabricated on 200 mm silicon-on-insulator (SOI) wafers using CMOS-compatible processes, ensuring their potential for mass production. Finally, to overcome the intrinsic microsecond-scale speed limitation of conventional MEMS phase shifters, a nanosecond-response MEMS phase shifter is proposed and experimentally demonstrated. By internalizing the actuating electrode into the perturbing waveguide itself and drastically shortening the mechanical spring, the moving mass is reduced, and the spring constant is maximized simultaneously, raising the mechanical resonance frequency to 37 MHz. Within a footprint of only 120 μm, the device achieves a rise time of 9.0 ns and a fall time of 5.6 ns, with a static power consumption of just 930 pW for maintaining a π phase shift and a per-unit insertion loss of 0.4 dB. To the best of our knowledge, this is the first phase shifter to simultaneously satisfy all four key performance requirements — high speed, low loss, compactness, and low power consumption — on a single monolithic silicon platform. Together, these results demonstrate that silicon photonic MEMS provides a highly scalable, energy-efficient, and now also high-speed platform that traverses the full path from unit-device verification to large-scale integration and to nanosecond-class operation, enabling diverse next- generation applications including photonic neural networks, hardware accelerators, quantum photonics, and high-throughput optical interconnects.