Поляризационно-независимый плазмонный электроабсорбционный модулятор на основе индиевого окида олова с эпсилон-близким-к-нулю свойствами

Аннотация

Начиповые телекоммуникационные плазмонные модуляторы, полностью совместимые с CMOS, являются ключевыми для следующего поколения фотонных интегральных схем (PICs). Существующие конструкции обычно отвечают только на одну поперечно-магнитную (TM) моду, вызывая существенные поляризационно-зависимые потери при интеграции со стандартными волоконными линиями, доставляющими случайно поляризованный свет. Мы предлагаем плазмонный модулятор, заключающий силициевый волновод в стек металл-оксид/индиевый оксид олова (ITO). Электрическим смещением МОС-конденсатора накопление носителей на границе ITO/оксид переводит поле в эпсилон-близкое-к-нулю (ENZ) состояние — либо на верхней, либо на боковых гранях — в зависимости от входной поляризации. Эта высоколокализованная ENZ мода дает сильное электроабсорбцию в состоянии «OFF», создавая большие коэффициенты погашения (ER) для вертикальной и горизонтальной поляризаций. Тщательная настройка толщины оксида в двух ортогональных направлениях выравнивает значения ER, достигая ΔER всего 0,01 дБ/мкм при сохранении коэффициентов связи выше 74 % при 1,55 мкм. Полученное устройство обеспечивает надежную, поляризационно-независимую модуляцию, делая его идеальным для волоконно-связанных PIC, встречающих случайные поляризационные состояния.

Введение

Фотонные интегральные схемы переживают быстрый рост, движимый приложениями в оптической связи, сенсорике и визуализации. Уменьшение размера устройств и энергопотребления остается главной целью для будущих высокоскоростных начиповых интерконнектов. Традиционные силициевые волноводные модуляторы полагаются на изменение либо показателя преломления, либо поглощения материала; однако слабый плазменно-дисперсионный эффект кремния и дифракционный предел обычных волноводов приводят к большим площадям (~10³–10⁴ мкм²) для интерферометров Мах-Цендера, а даже кольцевые модуляторы с высоким Q-резонансом страдают от ограниченной полосы пропускания и температурной чувствительности.

Плазмоника предлагает путь к субдифракционной миниатюризации. Недавние работы исследовали CMOS-совместимые слотовые модуляторы и плазмонные структуры, использующие кремний как активную среду, но производительность все еще ограничена скромной носительной дисперсией кремния. Прозрачные проводящие оксиды (TCO), такие как индиевый оксид олова (ITO), алюминий-цинк оксид и галлий-цинк оксид, представляют убедительную альтернативу, так как их диэлектрическая проницаемость может быть настроена электрически. Накопление носителей в слое ITO под смещением может дать изменение показателя преломления Δn = 0,092 и изменение поглощения Δk = 0,27 при 1310 нм, а когда реальная часть диэлектрической проницаемости приближается к нулю — известное как эпсилон-близкое-к-нулю (ENZ) состояние — поглощение достигает пика из-за экстремального замыкания поля.

Предыдущие плазмонные модуляторы преимущественно поддерживали только TM моды, потому что генерация поверхностных зарядов требует электрического поля, нормального к металл-диэлектрическому интерфейсу, а слотовые волноводы замыкают TE моды в низкоиндексных областях. В волоконных системах случайная поляризация входящего света приводит к значительным поляризационно-зависимым потерям, если не добавлять поляризационно-разнообразный компонент (например, ротатор), который обычно вносит дополнительные потери связи. Хотя некоторые ITO-базированные конструкции поддерживают и TE, и TM моды, разность коэффициентов погашения (ΔER) все еще может достигать 0,9 дБ/мкм, соответствующей 4 % штрафу к эффективности. Поэтому плазмонный модулятор, дающий минимальный ΔER при сохранении высокого погашения и низких потерь вставки, необходим для поляризационно-независимых PIC.

В этом исследовании мы исследуем силициевый волновод, обмотанный Au/SiO₂/ITO многослойной структурой, с помощью числового моделирования. Гибридный поверхностный плазмонно-поляритонный (HSPP) режим возбуждается вдоль низкоиндексного интерфейса SiO₂/ITO либо на верхней, либо на боковых гранях, в зависимости от входной поляризации. Настройка концентрации носителей в слое ITO через МОС-конденсатор демонстрирует коэффициенты погашения превышающие 1,43 дБ/мкм с ΔER ниже 0,01 дБ/мкм — рекордно низкое значение, которое значительно снижает поляризационно-зависимые потери.

Методы

Мы используем ITO как активный материал, эксплуатируя его сильный отклик накопления носителей для достижения высокоскоростного электроабсорбции. Диэлектрическая проницаемость ITO описывается модели Друда:

$$ \varepsilon =\varepsilon_{\infty }-\frac{N_{ITO}e^2}{\varepsilon_0m^{\ast }}\bullet \frac{1}{\omega^2+ i\omega \Gamma} $$

Здесь ε∞ — высокочастотная диэлектрическая проницаемость, Γ — фактор демпфирования электронов, ω — угловая частота, N_ITO — концентрация электронов, m* — эффективная масса, e — элементарный заряд, ε₀ — вакуумная проницаемость. Плотность электронов достигает пика на границе ITO/оксид и быстро затухает с расстоянием, обеспечивая сильное замыкание поля в накопленном слое.

Для поддержки и TE, и TM мод волновод включает два ортогональных металл-диэлектрических интерфейса. Предлагаемая структура состоит из силициевого ядра (ширина W_Si, высота H_Si), слоя ITO (толщина D_ITO), промежуточного слоя SiO₂ (ширина W_p, высота H_p) и 100 нм обкладки Au. Устройство изготавливается стандартной электронно-лучевой литографией, DRIE, PLD и PECVD — методами, совместимыми с задней частью CMOS процесса. Гибридный плазмонный режим распространяется в низкоиндексной области между SiO₂ и ITO, минимизируя потери вставки при сохранении сильного перекрытия поля с активным слоем.

Использовали неоднородную FDTD сетку с минимальным размером ячейки 0,2 нм и идеально согласованными слоями (PML) для подавления отражений. Длина волны моделирования установлена 1,55 мкм, показатели преломления n_Si = 3,48, n_SiO₂ = 1,44, диэлектрическая постоянная Au −116,62 + 11,46i. MIS волновод поддерживает обе поляризации с минимальной разницей постоянных распространения, обеспечивая эффективную модуляцию.

Результаты и обсуждение

Рис. 3 иллюстрирует распределение электрического поля для TE и TM мод при низком смещении («ON») и высоком смещении («OFF»). В состоянии ON поле TE концентрируется на боковых гранях слоя SiO₂, а поле TM — на верхней грани SiO₂. В состоянии OFF увеличенная концентрация носителей уменьшает реальную часть диэлектрической проницаемости ITO, притягивая поле в накопленные слои и увеличивая поглощение. Этот сдвиг достигает пика в точке ENZ, максимизируя потери в состоянии OFF.

Коэффициент погашения (ER) и потери вставки (IL) определяются как:

$$ \text{ER}=\frac{P_{\text{out}}(V_{\text{OFF}})}{P_{\text{out}}(V_{\text{ON}})} $$

$$ \text{IL}=\frac{P_{\text{in}}-P_{\text{out}}(V_{\text{ON}})}{P_{\text{in}}} $$

Потери распространения α вычисляются из мнимой части эффективного индекса: α = 4πκ/λ. α во многом определяется поглощением в накопленных слоях, что зависит от размеров SiO₂. Рис. 4 показывает, что увеличение W_p уменьшает перекрытие между направляемым режимом и накопленным слоем, снижая ER, в то время как ΔER достигает минимума, когда W_p немного превышает H_p.

Рис. 5 исследует ER и ΔER по длине волны для разных N_ITO. Обе метрики достигают пика рядом с точкой ENZ, а затем падают. Для N_ITO = 6,0×10²⁰ см⁻³ максимальные ER составляют 1,65 дБ/мкм (TE) и 1,56 дБ/мкм (TM) при 1,50 мкм, в то время как ΔER достигает минимума 0,009 дБ/мкм на рабочей длине волны 1,55 мкм — идеально для поляризационно-независимого устройства.

Увеличение N_ITO усиливает поглощение до точки ENZ, после чего дальнейшее добавление носителей увеличивает κ, снижая ER. Рис. 6 подтверждает, что ER пикует рядом с ENZ значением, в то время как ΔER остается ниже 0,01 дБ/мкм, демонстрируя сильную поляризационную иммунность.

Для оценки практической производительности смоделировали 14-мм длинный модулятор, возбужденный светом 1,55 мкм в обеих TE и TM поляризациях. Рис. 7a–d показывают поперечные распределения электрического и магнитного полей для состояний ON и OFF, подтверждая, что ΔER 0,009 дБ/мкм балансирует выходные интенсивности на длине устройства.

Коэффициент связи между плазмонным волноводом и силициевой полосой оценивали, варьируя ширину Si волновода. Рис. 8 показывает коэффициент связи (CE) для обеих поляризаций. Хотя несоответствие мод вносит некоторое отраженное излучение, ΔCE остается ниже 6 % при оптимальной ширине, давая CE 80,46 % (TE) и 74,83 % (TM) в состоянии ON.

Заключение

Мы продемонстрировали через детальное моделирование электроабсорбционный модулятор, который по своей природе поляризационно-независим. Интегрируя гибридный плазмонный волновод в направлениях x и y, устройство поддерживает двухполяризационные моды и формирует МОС-конденсатор, индуцирующий накопление носителей на диэлектрико-ITO интерфейсах. Настройка плотности носителей дает разность коэффициентов погашения всего 0,009 дБ/мкм при 1,55 мкм — рекордно низкое значение, устраняющее поляризационно-зависимые потери. Коэффициенты связи превышающие 74 % для обеих TE и TM поляризаций достигаются с использованием силициевого входного волновода. Эти ITO-базированные плазмонные модуляторы представляют компактный, CMOS-совместимый строительный блок для высокопроизводительных PIC. Будущая работа будет фокусироваться на оптимизации асимметричной геометрии покрытия для увеличения технологической толерантности без ущерба для производительности.