Superfície insensível à polarização Modulador de eletro-absorção de polarização de plasma baseado em óxido de estanho de índio quase zero de épsilon

Resumo

Os moduladores plasmônicos compatíveis com CMOS operando no comprimento de onda das telecomunicações são significativos para uma variedade de aplicações no chip. Baseando-se na manipulação do modo magnético transversal (TM) excitado na interface metal-dielétrica, a maioria das demonstrações anteriores são projetadas para responder apenas para o estado de polarização específico. Nesse caso, isso levará a uma alta perda dependente de polarização, quando o modulador sensível à polarização se integra a uma fibra com estado de polarização aleatório. Aqui, propomos um modulador plasmônico utilizando um óxido de metal, óxido de índio e estanho (ITO) enrolado em torno do guia de onda de silício e investigamos sua capacidade de modulação óptica para a luz de orientação polarizada vertical e horizontal, sintonizando a eletroabsorção de ITO com o induzido por campo injeção de portador. O modulador eletricamente polarizado com elétron acumulado na interface ITO / óxido permite que o modo épsilon próximo a zero (ENZ) seja excitado na parte superior ou lateral da interface, dependendo do estado de polarização da luz guia. Devido ao alto recurso localizado do modo ENZ, eletroabsorção eficiente pode ser alcançada sob o estado “OFF” do dispositivo, levando assim a uma grande razão de extinção (ER) para ambas as polarizações em nosso modulador proposto. Além disso, a modulação insensível à polarização é realizada adaptando adequadamente a espessura do óxido em duas direções de empilhamento diferentes e, portanto, combinando os valores ER para o dispositivo operando nos modos polarizados vertical e horizontal. Para a configuração de geometria otimizada, a diferença entre os valores ER de dois modos de polarização, ou seja, o ΔER, tão pequeno quanto 0,01 dB / μm é demonstrada e, simultaneamente com eficiência de acoplamento acima de 74%, é obtida para ambas as polarizações em um comprimento de onda de 1,55 μm. O modulador plasmônico combinado proposto tem uma aplicação potencial no direcionamento e processamento da luz de uma fibra com um estado de polarização aleatório.

Histórico

Os circuitos integrados fotônicos (PICs) têm feito progressos notáveis ​​nas últimas décadas com o desenvolvimento de aplicações nas áreas de comunicação óptica, sensoriamento e imagem [1, 2]. Atualmente, uma atenção considerável está sendo dada à redução da escala e ao consumo de energia de dispositivos fotônicos para produzir PICs avançados. A fotônica de Si é considerada uma solução promissora para futuras interconexões ópticas on / off-chip de alta velocidade. Os moduladores de guia de onda Si típicos alavancam eletricamente alterando as propriedades refrativas ou de absorção de um material para modular a transmissão de luz através de um dispositivo. Devido ao fraco efeito de dispersão do plasma de Si e ao limite de difração dos guias de onda de Si, os moduladores Si MZI sofrem de grandes pegadas de ~ 10 ³ –10 ⁴ μm ² . Os moduladores de anel com alta ressonância Q normalmente têm pegadas mais compactas de ~ 10 ² –10 ³ μm ² mas menor largura de banda óptica e tendem a ser mais sensíveis à variação de temperatura. Plasmonics fornece uma abordagem para miniaturizar dispositivos ópticos além do limite de difração [3]. Alternativamente, moduladores de slot totalmente compatíveis com CMOS ou moduladores plasmônicos usando Si como um material ativo são demonstrados recentemente [4, 5], e a alta localização de um campo de luz no modulador pode ser alcançada. No entanto, o desempenho do modulador plasmônico à base de Si ainda é limitado devido ao pequeno efeito de dispersão de portadores livres na camada de Si (guia de onda / estrutura).

Recentemente, óxidos condutores transparentes (TCOs), como óxido de índio e estanho (ITO), óxido de alumínio e zinco e óxido de gálio e zinco, estão emergindo como materiais ativos atraentes para moduladores de eletroabsorção (EA) integrados devido às suas permissividades eletricamente ajustáveis ​​[6 , 7,8,9,10]. Semelhante ao dispositivo MOS de efeito de campo baseado em Si, onde a acumulação de portadora é formada sob uma polarização de voltagem aplicada, densidade de portadora ( N _ITO ) pode ser ajustado na interface ITO / dielétrica com uma polarização aplicada. Mudanças óbvias no índice de refração da camada de acumulação de ITO com uma parte real Δn =0,092 e uma parte imaginária Δk =0,27 foram experimentalmente relatadas em um comprimento de onda de espaço livre de 1310 nm [10]. Quando a parte real da permissividade do ITO material é ajustado para perto de zero, em um certo N _ITO , que é referido como o estado “épsilon próximo a zero” (ENZ), tem a perda de absorção máxima devido ao forte confinamento do modo guiado [11]. A fim de formar a estrutura do capacitor MOS e aumentar a sobreposição entre o campo óptico e a camada de material ativo, guias de ondas de fenda [9, 12] e guias de ondas plasmônicas híbridas [10] foram adotados anteriormente com o objetivo de confinar fortemente o modo guiado em ITO e camada dielétrica. Moduladores plasmônicos convencionais, incluindo moduladores plasmônicos híbridos, suportam apenas um modo magnético transversal (TM) porque a geração da carga de superfície requer um campo elétrico normal para a interface metal-dielétrica e o guia de onda de fenda com um forte confinamento de campo óptico suporta apenas um elétrico transversal ( TE) modo na região do slot com baixo índice de refração. Para aplicações de comunicação de fibra óptica, a luz de uma fibra geralmente tem um estado de polarização aleatório e, conseqüentemente, a relação sinal-ruído será degradada quando se acoplar em um modulador óptico sensível à polarização. A perda dependente da polarização pode ser muito alta no caso do guia de onda ITO plasmonic e slot. Portanto, um sistema de diversidade de polarização, como o rotador de polarização [13,14,15], precisa ser integrado ao circuito. No entanto, geralmente há uma grande perda de acoplamento nos circos. Por conseguinte, alguns moduladores plasmônicos baseados em ITO com baixa polarização dependente precisam ser considerados. Um modulador EA compacto com uma pilha de TiN / HfO ₂ / ITO / Cu depositado em uma faixa de guia de onda suporta os modos TE e TM [11], mas a diferença entre as taxas de extinção de TE e TM chega a 0,9 dB / um, levando a 4% da eficiência de modulação. Portanto, um modulador plasmônico que suporta ambos os modos de polarização com ΔER mínimo é desejado para realizar a orientação e processamento de luz de sub-comprimento de onda insensível à polarização.

Neste artigo, as propriedades do modo e a modulação da luz em um guia de onda de silício revestido com Au / SiO ₂ / ITO multicamadas foram investigadas por simulação numérica. Para ambas as polarizações, modos plasmônicos altamente concentrados foram suportados no Au / SiO ₂ / ITO / Si empilhamento na parte superior ou nas paredes laterais do núcleo de silício. O efeito de dispersão do portador na camada ITO foi usado para a modulação, que é sintonizada pela estrutura do capacitor MOS formada pela pilha. Ao sintonizar a acumulação de portadora e a distribuição de campo de modo em tal guia de onda de sub-comprimento de onda, uma taxa de extinção de modulação acima de 1,43 dB / μm pode ser alcançada com um ΔER (uma diferença entre as razões de extinção de dois modos de polarização) abaixo de 0,01 dB / μm. Este resultado é promissor para reduzir a perda dependente da polarização no circuito integrado fotônico.

Métodos

Neste artigo, o ITO é aplicado como um material ativo no modulador proposto. O efeito de acumulação de portadores livres foi sugerido como uma abordagem promissora para alcançar a comutação plasmônica de alta velocidade. Em trabalhos anteriores, foi confirmado que o índice de refração de ITO pode ser alterado significativamente através do acúmulo de portadores de carga na interface ITO / dielétrica em estruturas de capacitores MOS [6, 16]. A permissividade de ITO pode ser tratada pelo modo Drude como
$$ \ varejpsilon ={\ varepsilon} _ {\ infty} - \ frac {N_ {ITO} {e} ^ 2} {\ varepsilon_0 {m} ^ {\ ast}} \ bullet \ frac {1} {\ omega ^ 2 + i \ omega \ Gamma} $$ (1)
onde ε _∞ é a permissividade de alta frequência, Г é o fator de amortecimento de elétrons, ω é a frequência angular da luz, N _ITO é a concentração de elétrons do material ITO, m * é a massa efetiva, e é a carga do elétron, e ε ₀ é a permissividade do espaço livre. Foi demonstrado que a concentração de elétrons acumulados maximiza na interface ITO / dielétrica e diminui rapidamente com o aumento da distância da interface [11]. A Figura 1 representa a parte real calculada ( ε ₁ ) e parte imaginária ( ε ₂ ) da permissividade do ITO em função do comprimento de onda em determinado N _ITO . Pode-se ver que, de acordo com N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ^{- 3} , ε ₁ aproxima-se de zero em 1,55 μm. Fisicamente, isso representa uma transição entre um material exibindo uma resposta dielétrica e uma resposta metálica à luz incidente; este ponto de permissividade é referido como o ponto ENZ. Os materiais ENZ levam a uma sobreposição de realce muito grande no campo óptico e na camada de absorção. Enquanto isso, o aumento da concentração de portadores também induz um aumento correspondente de ε ₂ , o que aumenta a perda de absorção na camada de acúmulo de portadores. Posteriormente, compararemos o desempenho da modulação de luz para vários moduladores ITO EA.

A parte real calculada ( ε ₁ ) e parte imaginária ( ε ₂ ) da permissividade do ITO em função do comprimento de onda com diferentes concentrações médias de elétrons N _ITO . O ponto ENZ do comprimento de onda é definido onde ε ₁ cruza zero

Para projetar um modulador plasmônico com suporte e modulação dos modos de guia TE e TM, são necessárias pelo menos duas interfaces metal-dielétricas, uma no x direção e a outra na y direção. Neste caso, é proposto um guia de onda plasmônico consistindo de guias de onda plasmônica híbridos nas direções vertical e horizontal. Conforme mostrado na Fig. 2, o modulador proposto consiste em um núcleo de Si com uma largura de W _Si e uma altura de H _Si , uma camada condutora ITO transparente com uma espessura de D _ITO , um SiO ₂ camada intermediária com uma largura de parede lateral de W _p e uma altura de H _p e uma camada de revestimento de Au de 100 nm de espessura (muito mais espessa do que a profundidade de penetração da luz). Uma vez que o guia de onda de Si pode ser fabricado por feixe eletrônico litograficamente e corrosão de íons reativos profundos (DRIE), o fino ITO e SiO ₂ pode ser depositado conformalmente no guia de onda camada por camada usando o método de deposição de laser pulsado (PLD) bem desenvolvido e o método PECVD; o modulador proposto é compatível com backend CMOS. A onda HSPP é excitada ao longo da camada de índice de refração inferior entre o SiO ₂ e a camada ITO, que pode reduzir a perda de inserção de forma eficaz. Atribuindo às propriedades de modo bastante diferentes desses dois tipos de guias de ondas plasmônicas, a modulação óptica é intrinsecamente diferente, mas eles poderiam ser projetados para serem independentes de polarização, otimizando a distribuição do campo de modo e a posição da camada ativa.

a Visualização 3D e b seção transversal do modulador plasmônico EA proposto integrado com um guia de onda dielétrico de faixa

Um método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) é usado para modelar as propriedades de propagação numericamente. Uma malha não uniforme é usada com um tamanho espacial mínimo de 0,2 nm. Os limites da camada perfeitamente combinada (PML) são usados ​​para atenuar o campo sem a reflexão posterior em todos os limites. O dispositivo foi projetado para operar em um comprimento de onda de 1,55 μm. Os índices de refração de silício e dióxido de silício são 3,48 e 1,44, respectivamente, a constante dielétrica de um revestimento Au é assumido como sendo - 116,62 + 11,46i em 1,55 μm [17]. Neste dispositivo, o guia de onda de metal / isolador / silício (MIS) tem excelentes propriedades de propagação, como baixa perda e forte confinamento óptico no guia de onda além do limite de difração. Nosso trabalho anterior em guias de onda plasmonic de silício full-cladding mostra que este tipo de guia de ondas poderia suportar a propagação de modo de ambas as polarizações e tem uma diferença muito baixa de constante de propagação [18].

Resultados e discussão

Para entender esta variação no guia de onda plasmônica híbrido induzida pela variação NITO, que é definida como a concentração média de elétrons na camada ITO, as distribuições do campo elétrico E _x e E _y para um modulador EA são mostrados na Fig. 3. Como mostrado na Fig. 3a, b, N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , E _x do modo TE é confinado nas duas paredes laterais do SiO ₂ camada e E _y do modo TM está confinado no topo do SiO ₂ camada, que oferece uma combinação de fortes confinamentos ópticos significativamente abaixo do limite de difração de luz e perda de propagação de luz relativamente baixa [18, 19], definido como estado "ON". Conforme mostrado na Fig. 3c, d, aplicando uma voltagem através da estrutura do capacitor MOS, as camadas de acumulação de portadores são induzidas em SiO ₂ / Interfaces ITO, N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . Devido ao aumento da densidade de portadores, a parte real da permissividade em ambas as camadas de acumulação de portadores diminui, que é menor do que no SiO ₂ camadas, o campo óptico será empurrado para as camadas de acumulação de portadores. Entretanto, devido ao aumento da parte imaginária da permissividade tanto nas camadas de acumulação de portadores como no N _ITO aumenta, a perda de propagação de luz aumenta com o aumento da perda de absorção nas camadas de acumulação de portadores, que atinge o máximo no ponto ENZ, ou seja, no estado "DESLIGADO".

Perfis de campo elétrico E _x e E _y do modulador para a - b Estado “ON”, N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , e c - d Estado “OFF”, N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , respectivamente. a e c são para o modo TE. b e d são para o modo TM. As inserções mostram o zoom na densidade do campo elétrico na camada ITO para o estado “OFF”. W _Si =310 nm, H _Si =340 nm, H _p =20 nm, W _p =25 nm

Para um modulador de luz, ER e IL (perda de inserção) são os dois parâmetros de desempenho mais importantes. Nós definimos
$$ \ mathrm {ER} =\ frac {P _ {\ mathrm {out}} \ left ({V} _b ={V} _ {\ mathrm {OFF}} \ right)} {P _ {\ mathrm {out} } \ left ({V} _b ={V} _ {\ mathrm {ON}} \ right)} $$ (2) $$ \ mathrm {IL} =\ frac {P _ {\ mathrm {in}} - { P} _ {\ mathrm {out}} \ left ({V} _b ={V} _ {\ mathrm {ON}} \ right)} {P _ {\ mathrm {in}}} $$ (3)
onde P _fora ( P _em ) é a potência óptica na saída (entrada) do dispositivo e V _b é a tensão aplicada no estado “ON” ( V _LIGADO ) e estado “DESLIGADO” ( V _DESLIGADO ) Além disso, a perda de propagação óptica ( α ) é definido como α =4 πκ / λ , λ é o comprimento de onda da operação e κ é a parte imaginária do índice efetivo complexo do modo plasmônico híbrido. De acordo com o cálculo, α depende principalmente da absorção óptica nas camadas de acumulação de portadores. O campo óptico no guia de onda plasmônico híbrido é principalmente confinado na camada de baixa permissividade (SiO ₂ e camada ITO); portanto, a perda de propagação mudaria com a variação do SiO ₂ camada. Para investigar a influência do SiO ₂ dimensões da camada no desempenho de modulação, ER e ΔER como uma função de SiO ₂ camada foram discutidos, como mostrado na Fig. 4. De acordo com a Fig. 4, ER do modo TE diminui gradualmente com o aumento de W _p devido à sobreposição entre o modo guiado e a camada de acumulação de portadores diminuiu, levando a uma pequena absorção nas camadas de acumulação de portadores. O ΔER atinge o mínimo quando W _p é ligeiramente mais espesso que H _p , devido ao núcleo de Si com seção transversal retangular e absorção ótica de duas paredes laterais.

ER e ΔER do modulador EA versus W _p em H _p =20 e 30 nm

A Figura 5 representa ER e ΔER como uma função do comprimento de onda para o modulador EA com diferentes N _ITO . Pode-se ver que ERs e ΔER do modulador EA aumentam com o aumento do comprimento de onda, atingindo o máximo em um determinado comprimento de onda e, em seguida, ER diminui com o comprimento de onda aumentando ainda mais, o ΔER diminui e, em seguida, atinge o mínimo em um determinado comprimento de onda com o comprimento de onda aumentando ainda mais. N _ITO pois o ER máximo está próximo do ponto ENZ e N _ITO pois os ERs máximos estão no ponto ENZ, por exemplo, N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ^{- 3} , os ERs máximos de ambos os modos são 1,65 e 1,56 dB / μm no comprimento de onda de 1,50 μm e o ΔER mínimo é 0,009 dB / μm no comprimento de onda de 1,55 μm, que é o nosso comprimento de onda de operação. Para aplicação de EA, a condição quando o máximo α é alcançado pode ser definido como o estado “DESLIGADO”, e a condição quando α é muito menor pode ser definido como o estado “LIGADO”. Além disso, para o modulador insensível à polarização EA, a condição quando o ΔER mínimo é alcançado deve ser prestada muita atenção.

ER e ΔER como uma função do comprimento de onda para o modulador EA com a N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ e b N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ⁻³

Vê-se que N _ITO na camada de acumulação do portador muda com a aplicação de várias tensões, resultando na variação da absorção e da distribuição do campo elétrico. Para entender as influências da camada de acumulação de portadora para o desempenho da modulação EA, ER e ΔER do modulador proposto são calculados no comprimento de onda de operação. Como pode ser visto na Fig. 6. ERs e ΔER do modulador EA aumentam com N _ITO aumentando, atingindo o máximo em um certo N _ITO e, em seguida, diminua com N _ITO aumentando ainda mais. Os ERs máximos do modo TE e TM são 1,62 e 1,59 dB / μm, respectivamente. ΔER primeiro aumenta com o aumento de N _ITO e então diminui após atingir um máximo. Vê-se que, no ponto ENZ, ERs de ambos os modos próximos do máximo, e ΔER é menor que 0,01 dB / μm.

ERs e ΔER como uma função de N _ITO para o modulador EA. H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 nm, W _p =25 nm, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Para demonstrar o desempenho do dispositivo, simulações 3D-FDTD foram realizadas para um modulador EA de 14 μm de comprimento. Uma luz de 1,55 μm com polarização TE e TM é lançada no guia de onda de entrada de Si, propagando-se através do modulador e, finalmente, acoplada ao guia de onda de Si de saída. A Figura 7a, b mostra as distribuições do campo elétrico transversal ao longo do y - corte no centro do guia de ondas Si no estado “ON” e no estado “OFF”. A Figura 7c, d mostra as distribuições do campo magnético transversal ao longo do x - corte no centro do guia de ondas Si no estado “ON” e no estado “OFF”. Para o estado “OFF”, devido a um excelente ΔER de 0,009 dB / μm, as luzes na saída dos modos TE e TM são equilibradas com um comprimento de modulação de 14 μm.

As distribuições de campo de E _x para o modo TE a - b e E _y c - d para o modo TM junto com y -cut e x - corte no centro do guia de ondas Si. a e c estão no estado “ON”. b e d estão no estado “DESLIGADO”. H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 nm, W _p =25 nm, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Para o projeto do modulador HSPP usando em PICs, a largura do guia de onda Si W (a altura H = H _Si =340 nm) foi otimizado. Variando a largura do guia de ondas dentro da faixa onde os modos TE e TM são suportados, o acoplamento efetivo (CE) é calculado. Na Fig. 7, alguma luz refletida na interface de acoplamento é observada devido à incompatibilidade de modo nesses dois guias de ondas, resultando em uma perda de acoplamento. A incompatibilidade de modo entre o guia de onda da faixa Si com um n maior _eff e o guia de onda combinado com plasmônico torna-se grande, resultando na diminuição da eficiência de acoplamento. A Figura 8 mostra o CE (definido como o rádio do fluxo de potência registrado em um plano atrás da interface de dois guias de ondas para a fonte) entre o guia de ondas plasmônico combinado ( H _p =20 nm e W _p =25 nm) e o guia de ondas de Si em função da largura para os modos TE e TM. Pode ser visto que quando W aumenta, o ΔCE (uma diferença entre a eficiência de acoplamento de dois modos de polarização) diminui, atingindo seu mínimo em uma certa largura do guia de ondas de Si de entrada e, em seguida, aumenta com a maré crescente de largura do guia de ondas de Si de entrada. Como consequência, os ΔCE mínimos são 5,63% (estado “ON”) e 6,38% (estado “OFF”); portanto, a eficiência de acoplamento é quase insensível à polarização com 80,46% para o modo TE e 74,83% para o modo TM no estado “ON”.

O CE entre o guia de onda combinado com plasmonic e o guia de onda Si como uma função da largura para os modos TE e TM no estado “ON” e no estado “OFF”. H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 nm, W _p =25 nm, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Conclusões

Em resumo, apresentamos um modulador de guia de onda plasmônico insensível à polarização EA. A estrutura do guia de ondas consiste em guias de ondas híbridos em x e y direções, onde existem modos de polarização dupla. O guia de onda plasmônico híbrido forma um capacitor MOS onde o acúmulo de portador ocorre nas interfaces dielétricas-ITO quando o eletrodo de Si dopado é polarizado em uma tensão mais baixa do que o eletrodo de metal. A modulação da luz é investigada ajustando a densidade da portadora. Um ΔER mínimo de 0,009 dB / μm no comprimento de onda de 1,55 μm é demonstrado por simulação. Este ΔER é o mais baixo registrado, como sabemos. Além disso, as eficiências de acoplamento acima de 74% para ambas as polarizações são obtidas usando um guia de onda de silício de alimentação. Esses moduladores de guia de onda plasmônica ITO EA podem ser um importante bloco de construção para integração fotônica ultracompacta. Em trabalhos futuros, a otimização da geometria do revestimento assimétrico com maior tolerância deve ser considerada para facilitar a fabricação.

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