Нечувствительный к поляризации поверхностный плазмонный поляризационный модулятор электропоглощения на основе эпсилон-оксида индия и олова с практически нулевым содержанием

Фон

Фотонные интегральные схемы (PIC) достигли значительного прогресса за последние несколько десятилетий с развитием приложений в области оптической связи, зондирования и визуализации [1, 2]. В настоящее время значительное внимание уделяется масштабированию и сокращению энергопотребления фотонных устройств для создания усовершенствованных PIC. Si-фотоника считается многообещающим решением для будущих высокоскоростных межкристальных оптических соединений. Типичные модуляторы на основе Si-волноводов используют электрическое изменение преломляющих или поглощающих свойств материала для модуляции прохождения света через устройство. Из-за слабого эффекта плазменной дисперсии Si и дифракционного предела Si-волноводов, модуляторы Si MZI страдают от больших габаритов, составляющих ~ 10 ³ –10 ⁴ мкм ² . Кольцевые модуляторы с высоким резонансом добротности обычно имеют более компактные размеры ~ 10 ² . –10 ³ мкм ² но с меньшей шириной оптического диапазона и большей чувствительностью к колебаниям температуры. Плазмоника обеспечивает подход к миниатюризации оптических устройств за пределами дифракционного предела [3]. В качестве альтернативы, недавно были продемонстрированы полностью КМОП-совместимые модуляторы слотов или плазмонные модуляторы, использующие Si в качестве активного материала [4, 5], и может быть достигнута высокая локализация светового поля в модуляторе. Однако производительность плазмонного модулятора на основе Si все еще ограничена из-за небольшого эффекта дисперсии свободных носителей в слое Si (волновод / структура).

В последнее время прозрачные оксиды проводников (TCO), такие как оксид индия и олова (ITO), оксид алюминия-цинка и оксид галлия-цинка, становятся привлекательными активными материалами для интегральных модуляторов электропоглощения (EA) из-за их электрически регулируемой диэлектрической проницаемости [6 , 7,8,9,10]. Подобно полевому МОП-устройству на основе Si, где накопление носителей формируется под действием смещения приложенного напряжения, плотность носителей ( N _ITO ) может быть настроен на интерфейсе ITO / диэлектрик с приложенным смещением. Очевидные изменения показателя преломления слоя накопления ITO с действительной частью Δn =0,092 и мнимой частью Δk =0,27 были экспериментально зарегистрированы на длине волны в свободном пространстве 1310 нм [10]. Когда действительная часть диэлектрической проницаемости ITO материал настроен почти на ноль при определенном N _ITO , которое называется состоянием «эпсилон-около нуля» (ENZ), оно имеет максимальные потери поглощения из-за сильного ограничения направленной моды [11]. Чтобы сформировать структуру МОП-конденсатора и улучшить перекрытие между оптическим полем и слоем активного материала, ранее были приняты щелевые волноводы [9, 12] и гибридные плазмонные волноводы [10] с целью строго ограничить направленную моду в ITO. и диэлектрический слой. Обычные плазмонные модуляторы, включая гибридные плазмонные модуляторы, поддерживают только поперечную магнитную (TM) моду, потому что для генерации поверхностного заряда требуется электрическое поле, нормальное к границе раздела металл-диэлектрик, а щелевой волновод с сильным ограничением оптического поля поддерживает только поперечный электрический ( TE) в области щели с низким показателем преломления. Для приложений оптоволоконной связи свет из волокна обычно имеет случайное состояние поляризации, и, следовательно, отношение сигнал / шум будет ухудшаться, когда он попадает в чувствительный к поляризации оптический модулятор. Зависимые от поляризации потери могут быть очень высокими в случае плазмонного и щелевого ITO-волновода. Следовательно, в схему необходимо интегрировать систему с поляризационным разнесением, такую ​​как вращатель поляризации [13,14,15]. Однако обычно он имеет большие потери связи в цепях. Соответственно, необходимо учитывать некоторые плазмонные модуляторы на основе ITO с низкой зависимостью от поляризации. Компактный модулятор EA со стеком TiN / HfO ₂ / ITO / Cu, нанесенный на полосовой волновод, поддерживает как режимы TE, так и TM [11], но разница между коэффициентами экстинкции TE и TM достигает 0,9 дБ / мкм, что приводит к 4% эффективности модуляции. Следовательно, для реализации нечувствительного к поляризации субволнового световода и обработки требуется плазмонный модулятор, поддерживающий обе поляризационные моды с минимальным ΔER.

В этой статье описаны свойства мод и модуляция света в кремниевом волноводе, плакированном Au / SiO ₂ . / Мультислои ITO исследованы методом численного моделирования. Для обеих поляризаций высококонцентрированные плазмонные моды поддерживались в Au / SiO ₂ Стек / ITO / Si либо наверху, либо на боковых стенках кремниевого сердечника. Эффект дисперсии носителей в слое ITO использовался для модуляции, которая настраивается структурой МОП-конденсатора, образованной стопкой. Путем настройки накопления несущих и распределения модового поля в таком субволновом волноводе коэффициент ослабления модуляции выше 1,43 дБ / мкм может быть достигнут с ΔER (разница между коэффициентами поглощения двух мод поляризации) ниже 0,01 дБ / мкм. Этот результат обещает снизить потери, зависящие от поляризации, в фотонной интегральной схеме.

Методы

В этой статье ITO применяется в качестве активного материала в предлагаемом модулятора. Эффект накопления свободных носителей заряда был предложен как многообещающий подход для достижения высокоскоростной плазмонной коммутации. В предыдущих работах было подтверждено, что показатель преломления ITO может быть существенно изменен за счет накопления носителей заряда на границе ITO / диэлектрик в структурах МОП-конденсаторов [6, 16]. Диэлектрическая проницаемость ITO может трактоваться модой Друде как

где ε _∞ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость, Г - коэффициент затухания электронов, ω угловая частота света, N _ITO - концентрация электронов в материале ITO, м * - эффективная масса, e - заряд электрона, а ε ₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Было показано, что концентрация накопленных электронов максимальна на границе раздела ITO / диэлектрик и быстро уменьшается с увеличением расстояния от границы раздела [11]. На рисунке 1 показана рассчитанная действительная часть ( ε ₁ ) и мнимой части ( ε ₂ ) диэлектрической проницаемости ITO в зависимости от длины волны при определенном N _ITO . Видно, что согласно N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ см ^{- 3} , ε ₁ приближается к нулю при 1,55 мкм. Физически это представляет собой переход между материалом, демонстрирующим диэлектрический отклик, и металлическим откликом на падающий свет; эта точка диэлектрической проницаемости называется точкой ENZ. Материалы ENZ приводят к очень большому перекрытию усиления в оптическом поле и поглощающем слое. Между тем, увеличение концентрации носителей также вызывает соответствующее увеличение ε ₂ , что увеличивает потери на поглощение в слое накопления носителей. Позже мы сравним характеристики модуляции света для различных модуляторов ITO EA.

Расчетная действительная часть ( ε ₁ ) и мнимой части ( ε ₂ ) диэлектрической проницаемости ITO в зависимости от длины волны с различной средней концентрацией электронов N _ITO . Точка ENZ длины волны определяется где ε ₁ пересекает ноль

Для разработки плазмонного модулятора, поддерживающего и модулирующего как TE-, так и TM-волноводные моды, требуются как минимум два раздела металл-диэлектрик, один в x направление, а другой - по y направление. В этом случае предлагается плазмонный волновод, состоящий из гибридных плазмонных волноводов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Как показано на рис. 2, предлагаемый модулятор состоит из кремниевой сердцевины шириной W _Si и высотой H _Si , прозрачный проводящий слой ITO толщиной D _ITO , SiO ₂ промежуточный слой с шириной боковины W _p и высотой H _p и плакирующего слоя Au толщиной 100 нм (намного больше глубины проникновения света). Поскольку Si-волновод может быть изготовлен литографией электронным пучком и глубоким реактивным ионным травлением (DRIE), тонкий ITO и SiO ₂ могут быть нанесены конформно на волновод слой за слоем с использованием хорошо разработанного метода импульсного лазерного осаждения (PLD) и метода PECVD; Предлагаемый модулятор является КМОП-совместимым. Волна HSPP возбуждается вдоль слоя с более низким показателем преломления между SiO ₂ и слой ITO, который может эффективно снизить вносимые потери. Из-за совершенно разных модовых свойств этих двух типов плазмонных волноводов оптическая модуляция существенно отличается, но они могут быть спроектированы так, чтобы они не зависели от поляризации за счет оптимизации распределения модового поля и положения активного слоя.

а 3D-вид и b поперечное сечение предлагаемого плазмонного модулятора ЭА, интегрированного с полосковым диэлектрическим волноводом

Метод конечных разностей во временной области (FDTD) используется для численного моделирования свойств распространения. Используется неоднородная сетка с минимальным пространственным размером 0,2 нм. Границы идеально согласованного слоя (PML) используются для ослабления поля без обратного отражения на всех границах. Устройство было разработано для работы на длине волны 1,55 мкм. Показатели преломления кремния и диоксида кремния равны 3,48 и 1,44 соответственно, диэлектрическая проницаемость Au-оболочки принята равной -116,62 + 11,46i при 1,55 мкм [17]. В этом устройстве волновод металл / диэлектрик / кремний (МДП) имеет превосходные свойства распространения, такие как низкие потери и сильное оптическое ограничение в волноводе за пределами дифракции. Наша предыдущая работа с кремниевыми плазмонными волноводами с полной оболочкой показывает, что этот тип волновода может поддерживать распространение мод обеих поляризаций и имеет очень небольшую разницу в постоянной распространения [18].

Результаты и обсуждение

Чтобы понять это изменение в гибридном плазмонном волноводе, вызванное изменением NITO, которое определяется как средняя концентрация электронов в слое ITO, распределение электрического поля E _x и E _y для модулятора EA показаны на рис. 3. Как показано на рис. 3a, b, N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ см ⁻³ , E _x режима TE ограничивается двумя боковыми стенками SiO ₂ слой и E _y моды TM ограничен в верхней части SiO ₂ слой, который предлагает комбинацию как сильных оптических ограничений, значительно ниже дифракционного предела света, так и относительно низких потерь распространения света [18, 19], определяемых как состояние «ВКЛ». Как показано на рис. 3c, d, при приложении напряжения к структуре МОП-конденсатора слои накопления носителей индуцируются на SiO ₂ / ITO интерфейсы, N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ см ⁻³ . Из-за увеличения плотности носителей реальная часть диэлектрической проницаемости в обоих слоях накопления носителей уменьшается, что ниже, чем в SiO ₂ слоев, оптическое поле будет проталкиваться в слои накопления носителей. Между тем, из-за увеличения мнимой части диэлектрической проницаемости в обоих слоях накопления носителей как N _ITO увеличивается, потери распространения света увеличиваются с увеличением потерь поглощения в слоях накопления носителей, которые достигают максимума в точке ENZ, то есть в состоянии «ВЫКЛ».

Профили электрического поля E _x и E _y модулятора для a - б Состояние «ВКЛ.», N _ITO =1,6 × 10 ¹⁹ см ⁻³ , и c - г Состояние «ВЫКЛ.», N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ см ⁻³ , соответственно. а и c предназначены для режима TE. б и d предназначены для режима TM. На вставках показана увеличенная плотность электрического поля в слое ITO для состояния «ВЫКЛ». Вт _Si =310 нм, H _Si =340 нм, H _p =20 нм, Вт _p =25 нм

Для модулятора света ER и IL (вносимые потери) являются двумя наиболее важными рабочими параметрами. Определяем

где P _вне ( P _в ) - оптическая мощность на выходе (входе) устройства и V _b - приложенное напряжение в состоянии «ВКЛ» ( В _ВКЛ ) и состояние «ВЫКЛ.» ( V _ВЫКЛ ). Кроме того, оптические потери при распространении ( α ) определяется как α =4 πκ / λ , λ - рабочая длина волны, а κ - мнимая часть комплексного эффективного показателя гибридной плазмонной моды. Согласно расчету, α в основном зависит от оптического поглощения в слоях накопления носителей. Оптическое поле в гибридном плазмонном волноводе в основном ограничено слоем с низкой диэлектрической проницаемостью (SiO ₂ и слой ITO); следовательно, потери при распространении будут изменяться с изменением SiO ₂ слой. Чтобы исследовать влияние SiO ₂ размеры слоя на характеристики модуляции, ER и ΔER как функция SiO ₂ слой был обсужден, как показано на рис. 4. Согласно рис. 4, ER режима TE постепенно уменьшается с увеличением W _p из-за перекрытия между управляемым режимом и слоем накопления носителей уменьшилось, что привело к небольшому поглощению в слоях накопления носителей. ΔER достигает минимума, когда W _p немного толще, чем H _p за счет кремниевой сердцевины с прямоугольным поперечным сечением и оптического поглощения двух боковых стенок.

ER и ΔER модулятора EA в зависимости от W _p в H _p =20 и 30 нм

На рисунке 5 представлены графики ER и ΔER в зависимости от длины волны для модулятора EA с различным N . _ITO . Можно видеть, что ER и ΔER модулятора EA увеличиваются с увеличением длины волны, достигая максимума на определенной длине волны, а затем ER уменьшаются с дальнейшим увеличением длины волны, ΔER уменьшается и затем достигает минимума на определенной длине волны с дальнейшим увеличением длины волны. N _ITO для максимального ER находится около точки ENZ и N _ITO для максимальных ER находятся в точке ENZ, например, N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ см ^{- 3} максимальные значения ER для обоих режимов составляют 1,65 и 1,56 дБ / мкм на длине волны 1,50 мкм, а минимальное значение ΔER составляет 0,009 дБ / мкм на длине волны 1,55 мкм, которая является нашей рабочей длиной волны. Для приложения EA условие, когда максимальное α может быть определено как состояние «ВЫКЛ.» и состояние, когда α намного меньше, может быть определено как состояние «ВКЛ». Более того, для модулятора EA, нечувствительного к поляризации, следует уделять большое внимание условию достижения минимума ΔER.

ER и ΔER как функция длины волны для модулятора EA с a N _ITO =5,6 × 10 ²⁰ см ⁻³ и b N _ITO =6,0 × 10 ²⁰ см ⁻³

Видно, что N _ITO в слое накопления носителей изменяется в зависимости от приложенного напряжения, что приводит к изменению поглощения и распределения электрического поля. Чтобы понять влияние уровня накопления несущих на характеристики модуляции EA, ER и ΔER предлагаемого модулятора вычисляются на рабочей длине волны. Как видно на рис. 6. ER и ΔER модулятора EA увеличиваются с N . _ITO возрастает, достигая максимума при определенном N _ITO , а затем уменьшите на N _ITO дальнейшее увеличение. Максимальные значения ER для режима TE и TM составляют 1,62 и 1,59 дБ / мкм соответственно. ΔER сначала увеличивается с увеличением N _ITO а затем уменьшается после достижения максимума. Видно, что в точке ENZ значения ER обеих мод близки к максимуму, а ΔER меньше 0,01 дБ / мкм.

ER и ΔER как функция от N _ITO для модулятора EA. H _Si =340 нм, Вт _Si =310 нм, H _p =20 нм, Вт _p =25 нм, D _ITO =10 нм, H _Au =100 нм

Чтобы продемонстрировать производительность устройства, моделирование 3D-FDTD было выполнено для модулятора EA длиной 14 мкм. Свет размером 1,55 мкм с TE и TM поляризацией запускается во входной Si волновод, затем распространяется через модулятор и, наконец, попадает в выходной Si волновод. На рис. 7а, б показаны распределения поперечного электрического поля вдоль оси y -разрез в центре Si-волновода в состоянии «ВКЛ» и «ВЫКЛ». На рис. 7c, d показаны распределения поперечного магнитного поля вдоль x -разрез в центре Si-волновода в состоянии «ВКЛ» и «ВЫКЛ». В состоянии «ВЫКЛ.» Из-за отличного ΔER 0,009 дБ / мкм свет на выходе обоих режимов TE и TM сбалансирован с длиной модуляции 14 мкм.

Распределения полей E _x для режима TE a - б и E _y c - г для режима TM по y -cut и x -разрез в центре Si-волновода. а и c находятся в состоянии «ВКЛ». б и d находятся в состоянии «ВЫКЛ.». H _Si =340 нм, Вт _Si =310 нм, H _p =20 нм, Вт _p =25 нм, D _ITO =10 нм, H _Au =100 нм

Для конструкции модулятора HSPP, используемого в PIC, ширина Si волновода W (высота H = H _Si =340 нм) был оптимизирован. Изменяя ширину волновода в диапазоне, в котором поддерживаются как TE-, так и TM-режимы, вычисляется эффективная связь (CE). Как видно из рис. 7, из-за несовпадения мод в этих двух волноводах наблюдается некоторый отраженный свет на границе раздела фаз, что приводит к потерям связи. Рассогласование мод между полосовым волноводом из Si с большим n _eff и комбинированный плазмонный волновод становится большим, что приводит к снижению эффективности связи. На рисунке 8 показан КЭ (определяемый как радиоизлучение потока мощности, записанного в плоскости за границей раздела двух волноводов с источником) между комбинированным плазмонным волноводом ( H _p =20 нм и Вт _p =25 нм) и Si-волновода в зависимости от ширины как для TE-, так и для TM-мод. Видно, что когда W увеличивается, ΔCE (разница между эффективностью связи двух поляризационных мод) уменьшается, достигая своего минимума при определенной ширине входного Si-волновода, а затем увеличивается с увеличением ширины входного Si-волновода. Как следствие, минимальное значение ΔCE составляет 5,63% (состояние «ВКЛ») и 6,38% (состояние «ВЫКЛ»); следовательно, эффективность связи практически нечувствительна к поляризации:80,46% для режима TE и 74,83% для режима TM в состоянии «ON».

CE между плазмонно-комбинированным волноводом и Si-волноводом как функция ширины для режимов TE и TM в состоянии «ВКЛ» и «ВЫКЛ». H _Si =340 нм, Вт _Si =310 нм, H _p =20 нм, Вт _p =25 нм, D _ITO =10 нм, H _Au =100 нм

Выводы

Таким образом, мы представили EA поляризационно-нечувствительный модулятор плазмонного волновода. Структура волновода состоит из гибридных волноводов в обоих направлениях x и y направления, в которых существуют режимы двойной поляризации. Гибридный плазмонный волновод образует МОП-конденсатор, где накопления носителей происходят на границах раздела диэлектрик-ITO, когда электрод из легированного кремния смещен при более низком напряжении, чем металлический электрод. Модуляция света исследуется путем настройки плотности несущих. Минимальное значение ΔER 0,009 дБ / мкм на длине волны 1,55 мкм продемонстрировано моделированием. Как мы знаем, этот ΔER является самым низким за всю историю наблюдений. Кроме того, эффективность связи выше 74% для обеих поляризаций достигается при использовании питающего кремниевого волновода. Эти модуляторы плазмонных волноводов ITO EA могут стать важным строительным блоком для сверхкомпактной фотонной интеграции. В будущих работах следует рассмотреть оптимизацию геометрии асимметричного покрытия с большим допуском ради упрощения изготовления.