Modulador de electroabsorción de polarización de plasma superficial insensible a la polarización basado en óxido de estaño indio Epsilon-Near-Zero

Antecedentes

Los circuitos integrados fotónicos (PIC) han logrado un progreso notable en las últimas décadas con el desarrollo de aplicaciones en los campos de la comunicación óptica, la detección y la formación de imágenes [1, 2]. Actualmente, se está prestando una atención considerable a reducir la escala y reducir el consumo de energía de los dispositivos fotónicos para producir PIC avanzados. Se considera que la fotónica de Si es una solución prometedora para futuras interconexiones ópticas de alta velocidad dentro / fuera del chip. Los moduladores de guía de ondas de Si típicos aprovechan la alteración eléctrica de las propiedades de refracción o de absorción de un material para modular la transmisión de luz a través de un dispositivo. Debido al débil efecto de dispersión del plasma del Si y al límite de difracción de las guías de ondas de Si, los moduladores de Si MZI sufren grandes huellas de ~ 10 ³ –10 ⁴ μm ² . Los moduladores de anillo con alta resonancia Q suelen tener huellas más compactas de ~ 10 ² –10 ³ μm ² pero menor ancho de banda óptico y tienden a ser más sensibles a las variaciones de temperatura. La plasmónica proporciona un enfoque para miniaturizar los dispositivos ópticos más allá del límite de difracción [3]. Alternativamente, recientemente se demostraron moduladores de ranura totalmente compatibles con CMOS o moduladores plasmónicos que utilizan Si como material activo [4, 5], y se puede lograr la alta localización de un campo de luz en el modulador. Sin embargo, el rendimiento del modulador plasmónico basado en Si sigue siendo limitado debido al pequeño efecto de dispersión del portador libre en la capa de Si (guía de ondas / estructura).

Recientemente, los óxidos conductores transparentes (TCO), como el óxido de indio y estaño (ITO), el óxido de aluminio y zinc y el óxido de galio y zinc, están emergiendo como materiales activos atractivos para los moduladores integrados de electroabsorción (EA) debido a sus permitividades eléctricamente ajustables [6 , 7, 8, 9, 10]. Similar al dispositivo MOS de efecto de campo basado en Si donde la acumulación de portadora se forma bajo una polarización de voltaje aplicada, densidad de portadora ( N _ITO ) se puede sintonizar en la interfaz ITO / dieléctrico con una polarización aplicada. Se han informado experimentalmente cambios obvios en el índice de refracción de la capa de acumulación de ITO con una parte real Δn =0.092 y una parte imaginaria Δk =0.27 a una longitud de onda en el espacio libre de 1310 nm [10]. el material está ajustado a cerca de cero, en un cierto N _ITO , que se conoce como el estado "épsilon-near-zero" (ENZ), tiene la máxima pérdida de absorción debido al fuerte confinamiento del modo guiado [11]. Para formar la estructura del condensador MOS y mejorar la superposición entre el campo óptico y la capa de material activo, previamente se adoptaron guías de ondas de ranura [9, 12] y guías de ondas plasmónicas híbridas [10] con el objetivo de limitar fuertemente el modo guiado en ITO y capa dieléctrica. Los moduladores plasmónicos convencionales, incluidos los moduladores plasmónicos híbridos, admiten solo un modo magnético transversal (TM) porque la generación de la carga superficial requiere un campo eléctrico normal a la interfaz metal-dieléctrico y la guía de ondas de ranura con un fuerte confinamiento del campo óptico solo admite un ( TE) en la región de la ranura con índice de refracción bajo. Para aplicaciones de comunicación de fibra óptica, la luz de una fibra generalmente tiene un estado de polarización aleatoria y, en consecuencia, la relación señal / ruido se degradará cuando se acople a un modulador óptico sensible a la polarización. La pérdida dependiente de la polarización podría ser muy alta en el caso de la guía de ondas ITO plasmónica y de ranura. Por lo tanto, es necesario integrar en el circuito un sistema de diversidad de polarización, como el rotador de polarización [13,14,15]. Sin embargo, suele tener una gran pérdida de acoplamiento en los circos. Por consiguiente, es necesario considerar algunos moduladores plasmónicos basados ​​en ITO con baja polarización dependiente. Un modulador EA compacto con una pila de TiN / HfO ₂ / ITO / Cu depositado en una guía de ondas de banda admite los modos TE y TM [11], pero la diferencia entre las relaciones de extinción de TE y TM alcanza 0,9 dB / um, lo que lleva al 4% de la eficiencia de modulación. Por lo tanto, se desea un modulador plasmónico que admita ambos modos de polarización con ΔER mínimo para realizar el procesamiento y la guía de luz de sublongitud de onda insensible a la polarización.

En este artículo, las propiedades del modo y la modulación de la luz en una guía de ondas de silicio revestida con Au / SiO ₂ / Las multicapas de ITO se investigaron mediante simulación numérica. Para ambas polarizaciones, los modos plasmónicos altamente concentrados fueron compatibles con Au / SiO ₂ / ITO / Si se apilan en la parte superior o en las paredes laterales del núcleo de silicio. El efecto de dispersión de la portadora en la capa ITO se utilizó para la modulación, que se ajusta mediante la estructura del condensador MOS formada por la pila. Al sintonizar la acumulación de portadora y la distribución del campo de modo en una guía de onda de sublongitud de onda de este tipo, se puede lograr una relación de extinción de modulación por encima de 1,43 dB / μm con un ΔER (una diferencia entre las relaciones de extinción de dos modos de polarización) por debajo de 0,01 dB / μm. Este resultado promete reducir la pérdida dependiente de la polarización en el circuito integrado fotónico.

Métodos

En este trabajo, ITO se aplica como material activo en el modulador propuesto. El efecto de acumulación de portadores libres se ha sugerido como un enfoque prometedor para lograr una conmutación plasmónica de alta velocidad. En trabajos anteriores, se ha confirmado que el índice de refracción de ITO se puede alterar significativamente mediante la acumulación de portadores de carga en la interfaz ITO / dieléctrica en estructuras de condensadores MOS [6, 16]. La permitividad de ITO puede ser tratada por el modo Drude como

$$ \ varepsilon ={\ varepsilon} _ {\ infty} - \ frac {N_ {ITO} {e} ^ 2} {\ varepsilon_0 {m} ^ {\ ast}} \ bullet \ frac {1} {\ omega ^ 2 + i \ omega \ Gamma} $$ (1)

donde ε _∞ es la permitividad de alta frecuencia, Г es el factor de amortiguación de electrones, ω es la frecuencia angular de la luz, N _ITO es la concentración de electrones del material ITO, m * es la masa efectiva, e es la carga del electrón, y ε ₀ es la permitividad del espacio libre. Se ha demostrado que la concentración de electrones acumulados se maximiza en la interfaz ITO / dieléctrico y disminuye rápidamente con el aumento de la distancia desde la interfaz [11]. La Figura 1 traza la parte real calculada ( ε ₁ ) y parte imaginaria ( ε ₂ ) de la permitividad de la ITO en función de la longitud de onda en ciertos N _ITO . Uno ve que, según N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ^{- 3} , ε ₁ se aproxima a cero a 1,55 μm. Físicamente, esto representa una transición entre un material que exhibe una respuesta dieléctrica y una respuesta metálica a la luz incidente; este punto de permitividad se denomina punto ENZ. Los materiales ENZ dan lugar a una superposición de mejora muy grande en el campo óptico y la capa de absorción. Mientras tanto, el aumento de la concentración de portadores también induce un aumento correspondiente de ε ₂ , lo que aumenta la pérdida por absorción en la capa de acumulación de portadores. Más adelante, compararemos el rendimiento de la modulación de luz para varios moduladores ITO EA.

La parte real calculada ( ε ₁ ) y parte imaginaria ( ε ₂ ) de la permitividad del ITO en función de la longitud de onda con diferente concentración promedio de electrones N _ITO . El punto ENZ de la longitud de onda se define donde ε ₁ cruza cero

Para diseñar un modulador plasmónico que admita y module los modos de guía TE y TM, se requieren al menos dos interfaces metal-dieléctricas, una en x dirección y el otro en el y dirección. En este caso, se propone una guía de ondas plasmónicas que consta de guías de ondas plasmónicas híbridas tanto en dirección vertical como horizontal. Como se muestra en la Fig.2, el modulador propuesto consiste en un núcleo de Si con un ancho de W _Si y una altura de H _Si , una capa ITO conductora transparente con un espesor de D _ITO , un SiO ₂ capa intermedia con un ancho de pared lateral de W _p y una altura de H _p y una capa de revestimiento de Au de 100 nm de espesor (mucho más gruesa que la profundidad de penetración de la luz). Dado que la guía de ondas de Si se puede fabricar mediante litografía con haz de electrones y grabado profundo de iones reactivos (DRIE), el fino ITO y SiO ₂ se puede depositar conforme a la guía de ondas capa por capa utilizando el método de deposición láser pulsado (PLD) bien desarrollado y el método PECVD; el modulador propuesto es compatible con CMOS backend. La onda HSPP se excita a lo largo de la capa de índice de refracción más bajo entre el SiO ₂ y capa ITO, que puede reducir la pérdida de inserción de manera efectiva. Atribuyendo a las propiedades de modo bastante diferentes de estos dos tipos de guías de ondas plasmónicas, la modulación óptica es intrínsecamente diferente, pero podrían diseñarse para ser independientes de la polarización optimizando la distribución del campo de modo y la posición de la capa activa.

un Vista 3D y b sección transversal del modulador plasmónico EA propuesto integrado con una guía de ondas dieléctrica de banda

Se utiliza un método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) para modelar numéricamente las propiedades de propagación. Se utiliza una malla no uniforme con un tamaño espacial mínimo de 0,2 nm. Los límites de capa perfectamente emparejados (PML) se utilizan para atenuar el campo sin la reflexión posterior en todos los límites. El dispositivo ha sido diseñado para funcionar a una longitud de onda de 1,55 μm. Los índices de refracción del silicio y el dióxido de silicio son 3,48 y 1,44, respectivamente, se supone que la constante dieléctrica de un revestimiento de Au es - 116,62 + 11,46i a 1,55 µm [17]. En este dispositivo, la guía de ondas de metal / aislante / silicio (MIS) tiene excelentes propiedades de propagación, como bajas pérdidas y un fuerte confinamiento óptico en la guía de ondas más allá del límite de difracción. Nuestro trabajo anterior en guías de ondas plasmónicas de silicio de revestimiento completo muestra que este tipo de guía de ondas podría soportar la propagación de modo de ambas polarizaciones y tiene una diferencia muy baja de constante de propagación [18].

Resultados y discusión

Para comprender esta variación en la guía de ondas plasmónica híbrida inducida por la variación NITO, que se define como la concentración promedio de electrones en la capa ITO, las distribuciones del campo eléctrico E _x y E _años para un modulador EA se muestran en la Fig. 3. Como se muestra en la Fig. 3a, b, N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , E _x del modo TE está confinado en las dos paredes laterales del SiO ₂ capa y E _años del modo TM está confinado en la parte superior del SiO ₂ capa, que ofrece una combinación de fuertes confinamientos ópticos significativamente por debajo del límite de difracción de la luz y una pérdida de propagación de la luz relativamente baja [18, 19], definida como estado "ON". Como se muestra en la Fig. 3c, d, aplicando un voltaje a través de la estructura del capacitor MOS, las capas de acumulación de portadoras se inducen en SiO ₂ / Interfaces ITO, N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . Debido al aumento de la densidad del portador, la parte real de la permitividad en ambas capas de acumulación del portador disminuye, que es menor que la del SiO ₂ capas, el campo óptico se empujará hacia las capas de acumulación de portadores. Mientras tanto, debido al aumento de la parte imaginaria de la permitividad tanto en las capas de acumulación de portadores como en la N _ITO aumenta, la pérdida de propagación de la luz aumenta con el aumento de la pérdida de absorción en las capas de acumulación de portadores, que alcanza el máximo en el punto ENZ, es decir, el estado "OFF".

Perfiles de campo eléctrico E _x y E _años del modulador para a - b Estado "ON", N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ y c - d Estado "APAGADO", N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , respectivamente. un y c son para el modo TE. b y d son para el modo TM. Las inserciones muestran la densidad del campo eléctrico ampliada en la capa ITO para el estado "OFF". W _Si =310 nm, H _Si =340 nm, H _p =20 millas náuticas, ancho _p =25 millas náuticas

Para un modulador de luz, ER e IL (pérdida de inserción) son los dos parámetros de rendimiento más importantes. 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)

donde P _fuera ( P _en ) es la potencia óptica en la salida (entrada) del dispositivo y V _b es el voltaje aplicado en el estado "ON" ( V _ACTIVADO ) y el estado "APAGADO" ( V _APAGADO ). Además, la pérdida de propagación óptica ( α ) se define como α =4 πκ / λ , λ es la longitud de onda de la operación y κ es la parte imaginaria del índice efectivo complejo del modo plasmónico híbrido. Según el cálculo, α depende principalmente de la absorción óptica en las capas de acumulación de portadores. El campo óptico en la guía de ondas plasmónica híbrida está confinado principalmente en la capa de baja permitividad (SiO ₂ y capa ITO); por lo tanto, la pérdida de propagación cambiaría con la variación del SiO ₂ capa. Para investigar la influencia del SiO ₂ dimensiones de la capa en el rendimiento de modulación, ER y ΔER en función de SiO ₂ La capa se ha discutido, como se muestra en la Fig. 4. De acuerdo con la Fig. 4, ER del modo TE disminuye gradualmente al aumentar W _p debido a la superposición entre el modo guiado y la capa de acumulación de portadores disminuyó, dando lugar a una pequeña absorción en las capas de acumulación de portadores. El ΔER alcanza el mínimo cuando W _p es un poco más grueso que H _p , debido a un núcleo de Si con una sección transversal rectangular y la absorción óptica de dos paredes laterales.

ER y ΔER del modulador EA versus W _p en H _p =20 y 30 nm

La Figura 5 traza ER y ΔER en función de la longitud de onda para el modulador EA con diferentes N _ITO . Se puede ver que ER y ΔER del modulador EA aumentan con el aumento de la longitud de onda, alcanzando el máximo en una cierta longitud de onda, y luego ER disminuyen con el aumento de la longitud de onda, ΔER disminuye y luego alcanza el mínimo en una cierta longitud de onda con la longitud de onda en aumento. N _ITO porque el ER máximo está cerca del punto ENZ y N _ITO para los ER máximos están en el punto ENZ, por ejemplo, N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ^{- 3} , los ER máximos de ambos modos son 1,65 y 1,56 dB / μm a la longitud de onda de 1,50 μm, y el ΔER mínimo es 0,009 dB / μm a la longitud de onda de 1,55 μm, que es nuestra longitud de onda de operación. Para la aplicación de EA, la condición cuando el máximo α se alcanza se puede definir como el estado "APAGADO" y la condición cuando α es mucho más pequeño se puede definir como el estado "ON". Además, para el modulador EA insensible a la polarización, se debe prestar mucha atención a la condición en la que se alcanza el ΔER mínimo.

ER y ΔER en función de la longitud de onda para el modulador EA con a N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ y b N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ cm ⁻³

Uno ve que N _ITO en la capa de acumulación de portadores cambia con los diversos voltajes de aplicación, lo que da como resultado la variación de la absorción y la distribución del campo eléctrico. Para comprender las influencias de la capa de acumulación de portadoras para el rendimiento de la modulación EA, se calculan ER y ΔER del modulador propuesto en la longitud de onda de funcionamiento. Como se ve en la Fig. 6. ER y ΔER del modulador EA aumentan con N _ITO aumentando, alcanzando el máximo en un cierto N _ITO y luego disminuya con N _ITO aumentando aún más. Los ER máximos de los modos TE y TM son 1,62 y 1,59 dB / μm, respectivamente. ΔER primero aumenta con el aumento de N _ITO y luego disminuye después de alcanzar un máximo. Se ve que, en el punto ENZ, los ER de ambos modos se acercan al máximo y ΔER es inferior a 0,01 dB / μm.

ER y ΔER en función de N _ITO para el modulador EA. H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 millas náuticas, ancho _p =25 millas náuticas, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Para demostrar el rendimiento del dispositivo, se han realizado simulaciones 3D-FDTD para un modulador EA de 14 μm de longitud. Una luz de 1,55 μm con polarización TE y TM se lanza a la guía de ondas de entrada de Si, luego se propaga a través del modulador y finalmente se acopla a la guía de ondas de Si de salida. Las figuras 7a, b muestran las distribuciones transversales del campo eléctrico a lo largo de y -corte en el centro de la guía de ondas Si en el estado "ON" y en el estado "OFF". Las figuras 7c, d muestran las distribuciones transversales del campo magnético a lo largo de la x -corte en el centro de la guía de ondas Si en el estado "ON" y en el estado "OFF". Para el estado "APAGADO", debido a un excelente ΔER de 0,009 dB / μm, las luces en la salida de los modos TE y TM se equilibran con una longitud de modulación de 14 μm de longitud.

Las distribuciones de campo de E _x para el modo TE a - b y E _años c - d para el modo TM a lo largo de la y -cut y x -corte en el centro de la guía de ondas Si. un y c están en estado "ON". b y d están en estado "APAGADO". H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 millas náuticas, ancho _p =25 millas náuticas, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Para el diseño del modulador HSPP que se utiliza en PIC, el ancho de la guía de ondas de Si W (la altura H = H _Si =340 nm) se ha optimizado. Al variar el ancho de la guía de ondas dentro del rango en el que se admiten los modos TE y TM, se calcula el acoplamiento efectivo (CE). En la Fig. 7, se observa algo de luz reflejada en la interfaz de acoplamiento debido al desajuste de modo en estas dos guías de ondas, lo que resulta en una pérdida de acoplamiento. La falta de coincidencia de modo entre la guía de ondas de banda de Si con una n más grande _ef y la guía de ondas plasmónica combinada se vuelve grande, lo que da como resultado la disminución de la eficacia de acoplamiento. La Figura 8 muestra la CE (definida como la radio del flujo de potencia registrado en un plano detrás de la interfaz de dos guías de ondas a la fuente) entre la guía de ondas plasmónica combinada ( H _p =20 nm y W _p =25 nm) y la guía de ondas de Si en función del ancho para los modos TE y TM. Puede verse que cuando W aumenta, el ΔCE (una diferencia entre la eficiencia de acoplamiento de dos modos de polarización) disminuye, alcanzando su mínimo en un cierto ancho de la guía de ondas de Si de entrada, y luego aumenta con la marea creciente del ancho de la guía de ondas de Si de entrada. Como consecuencia, los ΔCE mínimos son 5,63% (estado "ON") y 6,38% (estado "OFF"); por lo tanto, la eficiencia de acoplamiento es casi insensible a la polarización con 80.46% para el modo TE y 74.83% para el modo TM en el estado "ON".

La CE entre la guía de ondas plasmónica combinada y la guía de ondas Si en función del ancho para los modos TE y TM en el estado "ON" y el estado "OFF". H _Si =340 nm, W _Si =310 nm, H _p =20 millas náuticas, ancho _p =25 millas náuticas, D _ITO =10 nm, H _Au =100 nm

Conclusiones

En resumen, presentamos un modulador de guía de ondas plasmónicas insensible a la polarización EA. La estructura de la guía de ondas consta de guías de ondas híbridas tanto en x y y direcciones, donde existen modos de polarización dual. La guía de ondas plasmónica híbrida forma un condensador MOS donde las acumulaciones de portadores ocurren en las interfaces dieléctrico-ITO cuando el electrodo de Si dopado está polarizado a un voltaje más bajo que el electrodo metálico. La modulación de la luz se investiga ajustando la densidad de la portadora. Un ΔER mínimo de 0,009 dB / μm a la longitud de onda de 1,55 μm se demuestra mediante simulación. Este ΔER es el más bajo registrado como sabemos. Además, se obtienen eficiencias de acoplamiento superiores al 74% para ambas polarizaciones utilizando una guía de ondas de silicio de alimentación. Estos moduladores de guía de ondas plasmónicas ITO EA podrían ser un componente importante para la integración fotónica ultracompacta. En trabajos futuros, se debe considerar la optimización de la geometría del revestimiento asimétrico con mayor tolerancia en aras de la facilidad de fabricación.

Estimulación de la luminiscencia de punto cuántico de CdSe / ZnS recubierto de cisteína por meso-Tetrakis (p-sulfonato-fenil) porfirina Convertidor de polarización con birrefringencia controlable basado en metauperficie híbrida de grafeno totalmente dieléctrico