Polarization-Insensitive Surface Plasmon Polarization Electro-Absorption Modulator Berdasarkan Epsilon-Near-Zero Indium Tin Oxide
Abstrak
Modulator plasmonic yang kompatibel dengan CMOS yang beroperasi pada panjang gelombang telekomunikasi penting untuk berbagai aplikasi on-chip. Mengandalkan manipulasi mode magnetik transversal (TM) yang dieksitasi pada antarmuka logam-dielektrik, sebagian besar demonstrasi sebelumnya dirancang untuk merespons hanya untuk keadaan polarisasi tertentu. Dalam hal ini, itu akan menyebabkan kerugian ketergantungan polarisasi yang tinggi, ketika modulator peka polarisasi terintegrasi ke serat dengan keadaan polarisasi acak. Di sini, kami mengusulkan modulator plasmonik yang menggunakan oksida logam indium timah oksida (ITO) yang melilit pemandu gelombang silikon dan menyelidiki kemampuan modulasi optiknya untuk cahaya pemandu terpolarisasi vertikal dan horizontal dengan menyetel penyerapan elektro ITO dengan medan yang diinduksi injeksi pembawa. Modulator bias elektrik dengan elektron yang terakumulasi pada antarmuka ITO/oksida memungkinkan mode epsilon-near-zero (ENZ) untuk dieksitasi di bagian atas atau lateral antarmuka tergantung pada keadaan polarisasi dari cahaya pemandu. Karena fitur mode ENZ yang terlokalisasi tinggi, penyerapan elektro yang efisien dapat dicapai di bawah keadaan "OFF" perangkat, sehingga mengarah ke rasio kepunahan besar (ER) untuk kedua polarisasi dalam modulator yang kami usulkan. Lebih lanjut, modulasi tidak sensitif terhadap polarisasi diwujudkan dengan menyesuaikan ketebalan oksida dengan benar dalam dua arah susunan yang berbeda dan oleh karena itu mencocokkan nilai ER untuk perangkat yang beroperasi pada mode terpolarisasi vertikal dan horizontal. Untuk konfigurasi geometri yang dioptimalkan, perbedaan antara nilai ER dari dua mode polarisasi, yaitu, ER, sekecil 0,01 dB/μm ditunjukkan dan, secara bersamaan dengan efisiensi kopling di atas 74%, diperoleh untuk kedua polarisasi pada panjang gelombang 1,55 m. Modulator kombinasi plasmonik yang diusulkan memiliki aplikasi potensial dalam membimbing dan memproses cahaya dari serat dengan keadaan polarisasi acak.
Latar Belakang
Sirkuit terpadu fotonik (PIC) telah membuat kemajuan luar biasa dalam beberapa dekade terakhir dengan pengembangan aplikasi di bidang komunikasi optik, penginderaan, dan pencitraan [1, 2]. Saat ini, perhatian besar sedang diberikan untuk downscale dan mengurangi konsumsi daya perangkat fotonik untuk menghasilkan PIC canggih. Si photonics dianggap sebagai solusi yang menjanjikan untuk interkoneksi optik on/off-chip berkecepatan tinggi di masa depan. Modulator pandu gelombang Si tipikal memanfaatkan perubahan elektrik baik sifat bias atau penyerapan bahan untuk memodulasi transmisi cahaya melalui perangkat. Karena efek dispersi plasma yang lemah dari Si dan batas difraksi dari pandu gelombang Si, modulator Si MZI menderita jejak kaki yang besar ~ 10
3
–10
4
m
2
. Modulator ring dengan resonansi Q tinggi biasanya memiliki footprint yang lebih ringkas ~ 10
2
–10
3
m
2
tetapi bandwidth optik lebih rendah dan cenderung lebih sensitif terhadap variasi suhu. Plasmonik menyediakan pendekatan untuk miniaturisasi perangkat optik di luar batas difraksi [3]. Sebagai alternatif, modulator slot yang sepenuhnya kompatibel dengan CMOS atau modulator plasmonik yang menggunakan Si sebagai bahan aktif baru-baru ini ditunjukkan [4, 5], dan lokalisasi medan cahaya yang tinggi dalam modulator dapat dicapai. Namun, kinerja modulator plasmonik berbasis Si masih terbatas karena efek dispersi pembawa bebas yang kecil pada lapisan Si (panduan gelombang/struktur).
Baru-baru ini, oksida konduktor transparan (TCO), seperti indium timah oksida (ITO), aluminium seng oksida, dan galium seng oksida, muncul sebagai bahan aktif yang menarik untuk modulator elektro-absorpsi (EA) terintegrasi karena permitivitas yang dapat diatur secara elektrik [6 ,7,8,9,10]. Mirip dengan perangkat MOS efek medan berbasis Si di mana akumulasi pembawa terbentuk di bawah bias tegangan yang diterapkan, kerapatan pembawa (NITO ) dapat disetel pada antarmuka ITO/dielektrik dengan bias yang diterapkan. Perubahan nyata dalam indeks bias lapisan akumulasi ITO dengan bagian nyata n = 0.092 dan bagian imajiner k = 0.27 telah dilaporkan secara eksperimental pada panjang gelombang ruang bebas 1310 nm [10].Ketika bagian nyata dari permitivitas ITO materi disetel mendekati nol, pada N certain tertentu ITO , yang disebut sebagai keadaan "epsilon-near-zero" (ENZ), ia memiliki kehilangan penyerapan maksimal karena kurungan yang kuat dari mode terpandu [11]. Untuk membentuk struktur kapasitor MOS dan meningkatkan tumpang tindih antara bidang optik dan lapisan bahan aktif, pandu gelombang slot [9, 12] dan pandu gelombang plasmonik hibrida [10] diadopsi sebelumnya dengan tujuan untuk membatasi mode terpandu secara kuat di ITO dan lapisan dielektrik. Modulator plasmonik konvensional termasuk modulator plasmonik hibrida hanya mendukung mode magnetik transversal (TM) karena pembangkitan muatan permukaan memerlukan medan listrik normal ke antarmuka logam-dielektrik dan pemandu gelombang slot dengan kurungan medan optik yang kuat hanya mendukung listrik transversal ( TE) mode di wilayah slot dengan indeks bias rendah. Untuk aplikasi komunikasi serat optik, cahaya dari serat biasanya memiliki keadaan polarisasi acak, dan akibatnya, rasio signal-to-noise akan menurun ketika dipasangkan ke modulator optik sensitif polarisasi. Kehilangan yang bergantung pada polarisasi bisa sangat tinggi dalam kasus pandu gelombang ITO plasmonic dan slot. Oleh karena itu, sistem diversitas polarisasi, seperti rotator polarisasi [13,14,15], perlu diintegrasikan ke dalam rangkaian. Namun, biasanya memiliki kerugian kopling besar di sirkus. Oleh karena itu, beberapa modulator plasmonik berbasis ITO dengan ketergantungan polarisasi rendah perlu dipertimbangkan. Modulator EA ringkas dengan tumpukan TiN/HfO2 /ITO/Cu yang diendapkan pada pandu gelombang strip mendukung mode TE dan TM [11], tetapi perbedaan antara rasio pemadaman TE dan TM mencapai 0,9 dB/um, yang mengarah ke 4% efisiensi modulasi. Oleh karena itu, modulator plasmonic yang mendukung kedua mode polarisasi dengan ER minimal diinginkan untuk mewujudkan pemanduan dan pemrosesan cahaya sub-panjang gelombang yang tidak sensitif terhadap polarisasi.
Dalam makalah ini, properti mode dan modulasi cahaya dalam pandu gelombang silikon yang dilapisi dengan Au/SiO2 /ITO multilayer diselidiki dengan simulasi numerik. Untuk kedua polarisasi, mode plasmonik yang sangat terkonsentrasi didukung di Au/SiO2 /ITO/Si menumpuk di bagian atas atau dinding samping inti silikon. Efek dispersi pembawa di lapisan ITO digunakan untuk modulasi, yang disetel oleh struktur kapasitor MOS yang dibentuk oleh tumpukan. Dengan menyetel akumulasi pembawa dan distribusi medan mode dalam pandu gelombang subpanjang gelombang tersebut, rasio pemadaman modulasi di atas 1,43 dB/μm dapat dicapai dengan ER (perbedaan antara rasio pemadaman dua mode polarisasi) di bawah 0,01 dB/μm. Hasil ini menjanjikan untuk mengurangi kerugian yang bergantung pada polarisasi di sirkuit terpadu fotonik.
Metode
Dalam makalah ini, ITO diterapkan sebagai bahan aktif dalam modulator yang diusulkan. Efek akumulasi pembawa bebas telah disarankan sebagai pendekatan yang menjanjikan untuk mencapai peralihan plasmonik berkecepatan tinggi. Dalam karya sebelumnya, telah dikonfirmasi bahwa indeks bias ITO dapat diubah secara signifikan melalui akumulasi pembawa muatan pada antarmuka ITO/dielektrik dalam struktur kapasitor MOS [6, 16]. Permitivitas ITO dapat diperlakukan oleh mode Drude sebagai
dimana ε∞ adalah permitivitas frekuensi tinggi, Г adalah faktor redaman elektron, ω adalah frekuensi sudut cahaya, NITO adalah konsentrasi elektron bahan ITO, m * adalah massa efektif, e adalah muatan elektron, dan ε0 adalah permitivitas ruang bebas. Telah ditunjukkan bahwa konsentrasi akumulasi elektron maksimal pada antarmuka ITO/dielektrik dan menurun dengan cepat dengan meningkatnya jarak dari antarmuka [11]. Gambar 1 memplot bagian nyata yang dihitung (ε1 ) dan bagian imajiner (ε2 ) dari permitivitas ITO sebagai fungsi dari panjang gelombang pada N . tertentu ITO . Orang melihat itu, menurut NITO = 6.0 × 10
20
cm
− 3
, ε1 mendekati nol pada 1,55 μm. Secara fisik, ini mewakili transisi antara bahan yang menunjukkan respons dielektrik dan respons logam terhadap cahaya yang datang; titik permitivitas ini disebut sebagai titik ENZ. Bahan ENZ menyebabkan tumpang tindih peningkatan yang sangat besar di bidang optik dan lapisan penyerapan. Sementara itu, peningkatan konsentrasi pembawa juga menginduksi peningkatan yang sesuai dari ε2 , yang meningkatkan kehilangan absorpsi pada lapisan akumulasi pembawa. Nanti, kami akan membandingkan kinerja modulasi cahaya untuk berbagai modulator EA ITO.
Bagian nyata yang dihitung (ε1 ) dan bagian imajiner (ε2 ) dari permitivitas ITO sebagai fungsi dari panjang gelombang dengan konsentrasi elektron rata-rata yang berbeda NITO . Titik ENZ dari panjang gelombang didefinisikan di mana ε1 melewati nol
Untuk merancang modulator plasmonik yang mendukung dan memodulasi mode pemandu TE dan TM, setidaknya diperlukan dua antarmuka logam-dielektrik, satu di x arah dan yang lainnya di y arah. Dalam hal ini, pandu gelombang plasmonik yang terdiri dari pandu gelombang plasmonik hibrida dalam arah vertikal dan horizontal diusulkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, modulator yang diusulkan terdiri dari inti Si dengan lebar WSi dan tinggi HSi , lapisan ITO konduktif transparan dengan ketebalan DITO , sebuah SiO2 lapisan tengah dengan lebar dinding samping Wp dan tinggi Hp , dan lapisan kelongsong Au setebal 100 nm (jauh lebih tebal daripada kedalaman penetrasi cahaya). Karena pandu gelombang Si dapat dibuat dengan e-beam secara litografis dan deep reaktif-ion etsa (DRIE), ITO tipis dan SiO2 dapat diendapkan secara selaras pada pandu gelombang lapis demi lapis menggunakan metode deposisi laser berdenyut (PLD) dan metode PECVD yang dikembangkan dengan baik; modulator yang diusulkan kompatibel dengan backend CMOS. Gelombang HSPP tereksitasi sepanjang lapisan indeks bias bawah antara SiO2 dan lapisan ITO, yang dapat mengurangi kerugian penyisipan secara efektif. Karena sifat mode yang sangat berbeda dari dua jenis pandu gelombang plasmonik ini, modulasi optik secara intrinsik berbeda, tetapi mereka dapat dirancang untuk menjadi independen polarisasi dengan mengoptimalkan distribusi medan mode dan posisi lapisan aktif.
a Tampilan 3D dan b penampang modulator plasmonik EA yang diusulkan terintegrasi dengan pandu gelombang dielektrik bergaris
Metode finite-difference time-domain (FDTD) digunakan untuk memodelkan properti propagasi secara numerik. Jaring yang tidak seragam digunakan dengan ukuran spasial minimum 0,2 nm. Batas lapisan yang sangat cocok (PML) digunakan untuk melemahkan bidang tanpa pantulan belakang di semua batas. Perangkat telah dirancang untuk beroperasi pada panjang gelombang 1,55 m. Indeks bias silikon dan silikon dioksida masing-masing adalah 3,48 dan 1,44, konstanta dielektrik dari kelongsong Au diasumsikan 116,62 + 11,46i pada 1,55 μm [17]. Dalam perangkat ini, pandu gelombang logam/isolator/silikon (MIS) memiliki sifat propagasi yang sangat baik, seperti kehilangan rendah dan pengekangan optik yang kuat dalam pandu gelombang di luar batas difraksi. Pekerjaan kami sebelumnya dalam pandu gelombang silikon plasmonik kelongsong penuh menunjukkan bahwa jenis pandu gelombang ini dapat mendukung propagasi mode dari kedua polarisasi dan memiliki perbedaan konstanta propagasi yang sangat rendah [18].
Hasil dan diskusi
Untuk memahami variasi dalam pandu gelombang plasmonik hibrida yang diinduksi oleh variasi NITO, yang didefinisikan sebagai konsentrasi elektron rata-rata di lapisan ITO, distribusi medan listrik Ex dan Ey untuk modulator EA ditunjukkan pada Gambar. 3. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b, NITO = 1.6 × 10
19
cm
−3
, Ex mode TE dibatasi pada dua dinding samping SiO2 lapisan dan Ey mode TM dibatasi di bagian atas SiO2 lapisan, yang menawarkan kombinasi dari kedua kurungan optik yang kuat secara signifikan di bawah batas difraksi cahaya dan kehilangan propagasi cahaya yang relatif rendah [18, 19], yang didefinisikan sebagai status "ON". Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, d, menerapkan tegangan melintasi struktur kapasitor MOS, lapisan akumulasi pembawa diinduksi pada SiO2 /ITO antarmuka, NITO = 5.6 × 10
20
cm
−3
. Akibat peningkatan densitas pembawa, bagian nyata dari permitivitas di kedua lapisan akumulasi pembawa menurun, yang lebih rendah dari pada SiO2 lapisan, bidang optik akan didorong ke lapisan akumulasi pembawa. Sementara itu, karena peningkatan bagian imajiner dari permitivitas di kedua lapisan akumulasi pembawa sebagai NITO meningkat, kehilangan propagasi cahaya meningkat dengan meningkatnya kehilangan penyerapan di lapisan akumulasi pembawa, yang mencapai maksimum pada titik ENZ, yaitu, status "OFF".
Profil medan listrik Ex dan Ey dari modulator untuk a –b status "ON", NITO = 1.6 × 10
19
cm
−3
, dan c –d status "OFF", NITO = 5.6× 10
20
cm
−3
, masing-masing. a dan c adalah untuk mode TE. b dan d adalah untuk mode TM. Sisipan menunjukkan kerapatan medan listrik yang diperbesar di lapisan ITO untuk status "OFF". ASi = 310 nm, HSi = 340 nm, Hp = 20 nm, Ap = 25 nm
Untuk modulator cahaya, ER dan IL (insertion loss) adalah dua parameter kinerja yang paling penting. Kami mendefinisikan
dimana Pkeluar (Pdi ) adalah daya optik pada output (input) perangkat dan Vb adalah tegangan yang diterapkan pada status "ON" (VAKTIF ) dan status “OFF” (VMATI ). Selain itu, hilangnya propagasi optik (α ) didefinisikan sebagai α = 4πκ/λ , λ adalah panjang gelombang operasi dan κ adalah bagian imajiner dari indeks efektif kompleks mode plasmonik hibrida. Menurut perhitungan, α terutama tergantung pada penyerapan optik di lapisan akumulasi pembawa. Medan optik dalam pandu gelombang plasmonik hibrida sebagian besar terbatas pada lapisan permitivitas rendah (SiO2 dan lapisan ITO); oleh karena itu, kerugian propagasi akan berubah dengan memvariasikan SiO2 lapisan. Untuk menyelidiki pengaruh SiO2 dimensi lapisan pada kinerja modulasi, ER dan ER sebagai fungsi dari SiO2 lapisan telah dibahas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Menurut Gambar. 4, ER dari mode TE secara bertahap menurun dengan meningkatnya Wp karena tumpang tindih antara mode terpandu dan lapisan akumulasi pembawa menurun, menyebabkan penyerapan kecil di lapisan akumulasi pembawa. ER mencapai minimum ketika Wp sedikit lebih tebal dari Hp , karena inti Si dengan penampang persegi panjang dan penyerapan optik dari dua dinding samping.
ER dan ER dari modulator EA versus Wp di Hp = 20 dan 30 nm
Gambar 5 memplot ER dan ER sebagai fungsi panjang gelombang untuk modulator EA dengan N yang berbeda ITO . Terlihat bahwa ER dan ER modulator EA meningkat dengan bertambahnya panjang gelombang, mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu, dan kemudian ER menurun dengan bertambahnya panjang gelombang, ER menurun dan kemudian mencapai minimum pada panjang gelombang tertentu dengan panjang gelombang yang semakin meningkat. TITO untuk ER maksimum dekat titik ENZ dan NITO untuk ER maksimum berada di titik ENZ, misalnya NITO = 6.0× 10
20
cm
− 3
, ER maksimum dari kedua mode adalah 1,65 dan 1,56 dB/μm pada panjang gelombang 1,50 μm, dan ER minimum adalah 0,009 dB/μm pada panjang gelombang 1,55 m, yang merupakan panjang gelombang operasi kami. Untuk aplikasi EA, kondisi maksimal α tercapai dapat didefinisikan sebagai status "OFF", dan kondisi ketika α jauh lebih kecil dapat didefinisikan sebagai status "ON". Selain itu, untuk modulator yang tidak sensitif terhadap polarisasi EA, kondisi saat ER minimum tercapai harus sangat diperhatikan.
ER dan ER sebagai fungsi panjang gelombang untuk modulator EA dengan aTITO = 5.6 × 10
20
cm
−3
dan bTITO = 6.0 × 10
20
cm
−3
Seseorang melihat bahwa NITO di lapisan akumulasi pembawa berubah dengan berbagai tegangan yang diterapkan, menghasilkan variasi penyerapan dan distribusi medan listrik. Untuk memahami pengaruh lapisan akumulasi pembawa untuk kinerja modulasi EA, ER dan ER dari modulator yang diusulkan dihitung pada panjang gelombang operasi. Seperti terlihat pada Gambar. 6. ER dan ER modulator EA meningkat dengan NITO meningkat, mencapai maksimum pada N certain tertentu ITO , lalu turunkan dengan NITO semakin meningkat. ER maksimum mode TE dan TM masing-masing adalah 1,62 dan 1,59 dB/μm. ER pertama meningkat dengan meningkatnya NITO dan kemudian menurun setelah mencapai maksimum. Terlihat bahwa, pada titik ENZ, ER dari kedua mode mendekati maksimum, dan ER kurang dari 0,01 dB/μm.
ER dan ER sebagai fungsi dari NITO untuk modulator EA. HSi = 340 nm, ASi = 310 nm, Hp = 20 nm, Ap = 25 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm
Untuk mendemonstrasikan kinerja perangkat, simulasi 3D-FDTD telah dilakukan untuk modulator EA sepanjang 14 m. Cahaya 1,55-m dengan polarisasi TE dan TM diluncurkan ke pandu gelombang masukan Si, kemudian merambat melalui modulator, dan akhirnya digabungkan ke pandu gelombang keluaran Si. Gambar 7a, b menunjukkan distribusi medan listrik transversal sepanjang y -potong di tengah pandu gelombang Si pada status "ON" dan "OFF". Gambar 7c, d menunjukkan distribusi medan magnet transversal di sepanjang x -potong di tengah pandu gelombang Si pada status "ON" dan "OFF". Untuk status “OFF”, karena ER yang sangat baik sebesar 0,009 dB/μm, lampu pada output mode TE dan TM diseimbangkan dengan panjang modulasi sepanjang 14μm.
Distribusi bidang Ex untuk mode TE a –b dan Eyc –d untuk mode TM di sepanjang y -potong dan x -potong di tengah pandu gelombang Si. a dan c adalah status "ON". b dan d adalah status "OFF". HSi = 340 nm, ASi = 310 nm, Hp = 20 nm, Ap = 25 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm
Untuk desain modulator HSPP yang menggunakan PIC, lebar pandu gelombang Si W (ketinggian H = HSi = 340 nm) telah dioptimalkan. Dengan memvariasikan lebar pandu gelombang dalam kisaran di mana mode TE dan TM didukung, efektif kopling (CE) dihitung. Dari Gbr. 7, beberapa cahaya yang dipantulkan pada antarmuka kopling diamati karena ketidakcocokan mode dalam dua pandu gelombang ini, yang mengakibatkan kerugian kopling. Ketidakcocokan mode antara pandu gelombang Si stripe dengan n . yang lebih besar eff dan pandu gelombang gabungan plasmonik menjadi besar, menghasilkan penurunan efisiensi kopling. Gambar 8 menunjukkan CE (didefinisikan sebagai radio fluks daya yang direkam pada bidang di belakang antarmuka dua pandu gelombang ke sumber) antara pandu gelombang gabungan plasmonik (Hp = 20 nm dan Wp = 25 nm) dan pandu gelombang Si sebagai fungsi lebar untuk mode TE dan TM. Dapat dilihat bahwa ketika A meningkat, CE (perbedaan antara efisiensi kopling dari dua mode polarisasi) menurun, mencapai minimum pada lebar tertentu dari pandu gelombang Si input, dan kemudian meningkat dengan meningkatnya lebar lebar pandu gelombang input Si. Akibatnya, CE minimum adalah 5,63% (status "ON") dan 6,38% (status "OFF"); oleh karena itu, efisiensi kopling hampir tidak sensitif terhadap polarisasi dengan 80,46% untuk mode TE dan 74,83% untuk mode TM pada status “ON”.
CE antara pandu gelombang gabungan plasmonik dan pandu gelombang Si sebagai fungsi lebar untuk mode TE dan TM pada status "ON" dan "OFF". HSi = 340 nm, ASi = 310 nm, Hp = 20 nm, Ap = 25 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm
Kesimpulan
Singkatnya, kami menyajikan modulator pandu gelombang plasmonik yang tidak sensitif terhadap polarisasi EA. Struktur pandu gelombang terdiri dari pandu gelombang hibrida di kedua x dan y arah, di mana mode polarisasi ganda yang ada. Pemandu gelombang plasmonik hibrida membentuk kapasitor MOS di mana akumulasi pembawa terjadi pada antarmuka dielektrik-ITO ketika elektroda yang didoping-Si dibias pada tegangan yang lebih rendah daripada elektroda logam. Modulasi cahaya diselidiki dengan menyetel kerapatan pembawa. ER minimum 0,009 dB/μm pada panjang gelombang 1,55 m ditunjukkan dengan simulasi. ER ini adalah rekor terendah yang kita ketahui. Selanjutnya, efisiensi kopling di atas 74% untuk kedua polarisasi diperoleh dengan menggunakan pandu gelombang silikon pengumpanan. Modulator pandu gelombang plasmonik ITO EA ini dapat menjadi blok bangunan penting untuk integrasi fotonik ultra-kompak. Dalam pekerjaan mendatang, optimalisasi geometri lapisan asimetris dengan toleransi yang lebih besar harus dipertimbangkan demi kemudahan fabrikasi.
