Modulator Elektro-Absorpsi Plasonik Insensitif Polarisasi Menggunakan Indium Tin Oxide Epsilon-Near-Zero
Abstrak
Modulator plasonik telekom-band on-chip yang sepenuhnya kompatibel CMOS sangat penting untuk sirkuit optik terintegrasi (PIC) generasi berikut. Desain yang ada biasanya merespons hanya satu mode transversal magnetik (TM), yang menyebabkan kehilangan bergantung pada polarisasi yang besar saat terintegrasi dengan link serat standar yang mengirimi cahaya dengan polirisasi acak. Kami mengusulkan modulator plasonik yang melingkari silikon waveguide dengan tumpukan metal-oksida/indium tin oxide (ITO). Dengan bias listrik pada kapasitor MOS, akuumulasi carrier pada antarmuka ITO/oksido mendorong medan ke dalam mode epsilon-near-zero (ENZ)—baik di atas atau di sisi—tergantung pada polirisasi masukan. Mode ENZ yang sangat terlokal ini menghasilkan elektro-absorpsi yang kuat dalam keadaan "OFF", yang menghasilkan rasio punah (ER) yang besar untuk polirisasi vertikal dan horizontal. Dengan menyesuaikan ketebalan oksido dengan hati-hati di kedua arah ortogonal, nilai ER disesuaikan, mencapai ΔER sebanyak 0,01 dB/µm sambil mempertahankan efisiensi kopling di atas 74% pada 1,55 µm. Perangkat yang dihasilkan menawarkan modulasi yang tidak sensitif terhadap polirisasi, menjadikannya ideal untuk PIC yang terhubung serat yang mengalami kondisi polirisasi acak.
Latar Belakang
Sirkuit optik terintegrasi telah mengalami kemajuan yang cepat, didorong oleh aplikasi dalam komunikasi optik, sensor, dan citra. Pengurangan jejak perangkat dan konsumsi daya tetap menjadi tujuan utama untuk interkoneksi on-chip kecepatan tinggi di masa depan. Modulator waveguide silikon tradisional bergantung pada pengubah indeks refraksi atau serapan bahan; namun, efek plasma-dispersi yang lemah silikon dan batas difraksi waveguide konvensional menghasilkan jejak yang besar (≈10³–10⁴ µm²) untuk interferometer Mach-Zehnder, dan bahkan modulator cincang dengan resonansi Q tinggi menderita bandwidth yang terbatas dan sensitivitas suhu.
Plasonik menawarkan jalan menuju miniaturisasi di bawah batas difraksi. Karya terbaru telah mengeksplorasi slot modulator kompatibel CMOS dan struktur plasonik yang menggunakan silikon sebagai medium aktif, namun kinerja masih dibatasi oleh dispersi carrier yang modest silikon. Oksida konduktif transparan (TCO), seperti indium tin oxide (ITO), aluminium-zink oksida, dan galium-zink oksida, menawarkan alternatif yang menarik karena permitivitasnya dapat diatur secara listrik. Akuumulasi carrier dalam lapisan ITO di bawah bias dapat menghasilkan perubahan indeks refraksi Δn = 0,092 dan perubahan serapan Δk = 0,27 pada 1310 nm, dan ketika bagian nyata dari permitivitas mendekati nol—dikenal sebagai status epsilon-near-zero (ENZ)—serapan puncak karena konfinersi medan yang ekstrim.
Modulator plasonik sebelumnya sebagian besar hanya mendukung mode TM karena pembuatan muatan permukaan memerlukan medan listrik normal terhadap antarmuka metal-dielektrik, dan slot waveguide menahan mode TE di wilayah indeks rendah. Dalam sistem serat, polirisasi acak dari cahaya masuk menyebabkan kehilangan bergantung pada polirisasi yang signifikan kecuali komponen keragaman polirisasi (misalnya, rotator) ditambahkan, yang biasanya memperkenalkan kehilangan kopling tambahan. Meskipun beberapa desain berbasis ITO mendukung mode TE dan TM, perbedaan rasio punah (ΔER) masih dapat mencapai 0,9 dB/µm, yang sesuai dengan penalti efisiensi 4%. Oleh karena itu, modulator plasonik yang memberikan ΔER minimal sambil mempertahankan punah tinggi dan kehilangan sisipan rendah sangat penting untuk PIC yang tidak sensitif terhadap polirisasi.
Dalam studi ini, kami menyelidiki waveguide silikon yang dilapisi tumpukan Au/SiO₂/ITO multilayer menggunakan simulasi numerik. Mode polariton permukaan plasonik hibrida (HSPP) terpacu di sepanjang antarmuka indeks rendah SiO₂/ITO, baik di atas atau di sisi, tergantung pada polirisasi masukan. Dengan menyesuaikan konsentrasi carrier dalam lapisan ITO melalui kapasitor MOS, kami menunjukkan rasio punah yang melebihi 1,43 dB/µm dengan ΔER di bawah 0,01 dB/µm, catatan terendah yang secara signifikan mengurangi kehilangan bergantung pada polirisasi.
Metode
Kami menggunakan ITO sebagai bahan aktif, memanfaatkan respons akuumulasi carrier yang kuat untuk mencapai elektro-absorpsi kecepatan tinggi. Permitivitas ITO dijelaskan oleh model Drude:
Di mana ε∞ adalah permitivitas frekuensi tinggi, Γ adalah faktor redam elektron, ω adalah frekuensi sudut, NITO adalah konsentrasi elektron, m* adalah massa efektif, e adalah muatan dasar, dan ε0 adalah permitivitas vakum. Kepadatan elektron mencapai puncak pada antarmuka ITO/oksida dan menurun cepat dengan jarak, memastikan konfinersi medan yang kuat dalam lapisan akuumulasi.
Bagian nyata (ε1) dan bagian imajiner (ε2) dari permitivitas ITO versus panjang gelombang untuk berbagai konsentrasi elektron. Titik ENZ diidentifikasi di mana ε1 melintasi nol.
Untuk mendukung mode TE dan TM, waveguide menggabungkan dua antarmuka metal-dielektrik ortogonal. Struktur yang diusulkan terdiri dari inti silikon (lebar WSi, tinggi HSi), lapisan ITO (tebal DITO), lapisan perantara SiO₂ (lebar Wp, tinggi Hp), dan pelapisan Au 100 nm. Perangkat diproduksi menggunakan litografi sinar elektron, DRIE, PLD, dan PECVD—metode yang kompatibel dengan pemrosesan back-end CMOS. Mode plasonik hibrida merambat di wilayah indeks rendah di antara SiO₂ dan ITO, meminimalkan kehilangan sisipan sambil mempertahankan overlap medan yang kuat dengan lapisan aktif.
a Tampilan 3-D dan b penampang modulator EA plasonik terintegrasi dengan waveguide dielektrik stripe.
Kami menggunakan jaring FDTD non-uniform dengan ukuran sel minimum 0,2 nm dan lapisan cocok sempurna (PML) untuk menekan refleksi. Panjang gelombang simulasi diatur pada 1,55 µm, dengan indeks refraksi nSi = 3,48, nSiO₂ = 1,44, dan konstanta dielektrik Au −116,62 + 11,46i. Waveguide MIS mendukung kedua polirisasi dengan perbedaan konstanta propagnasi yang minimal, memungkinkan modulasi yang efisien.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 3 mengilustrasikan distribusi medan listrik untuk mode TE dan TM di bawah kondisi bias rendah ("ON") dan bias tinggi ("OFF"). Dalam keadaan ON, medan TE terkonsentrasi di sisi lapisan SiO₂, sementara medan TM tinggal di atas SiO₂. Dalam keadaan OFF, peningkatan kepadatan carrier mengurangi bagian nyata dari permitivitas ITO, menarik medan ke dalam lapisan akuumulasi dan meningkatkan serapan. Pergeseran ini mencapai puncak di titik ENZ, memaksimalkan kehilangan dalam keadaan OFF.
Profil medan untuk mode TE (a, c) dan mode TM (b, d) dalam keadaan ON dan OFF. Inset menunjukkan densitas medan dalam lapisan ITO selama OFF. Parameter: WSi = 310 nm, HSi = 340 nm, Hp = 20 nm, Wp = 25 nm.
Rasio punah (ER) dan kehilangan sisipan (IL) didefinisikan sebagai:
Kehilangan propagasi α dihitung dari bagian imajiner indeks efektif: α = 4πκ/λ. α sebagian besar ditentukan oleh serapan dalam lapisan akuumulasi, yang dipengaruhi oleh dimensi SiO₂. Gambar 4 menunjukkan bahwa peningkatan Wp mengurangi overlap antara mode terpandu dan lapisan akuumulasi, menurunkan ER, sementara ΔER mencapai minimum ketika Wp sedikit melebihi Hp.
ER dan ΔER versus Wp untuk Hp = 20 nm dan 30 nm.
Gambar 5 mengeksplorasi ER dan ΔER di seluruh panjang gelombang untuk berbagai nilai NITO. Keduanya mencapai puncak di dekat titik ENZ dan kemudian menurun. Untuk NITO = 6,0×10²⁰ cm⁻³, ER maksimum adalah 1,65 dB/µm (TE) dan 1,56 dB/µm (TM) pada 1,50 µm, sementara ΔER mencapai minimum 0,009 dB/µm pada panjang gelombang operasi 1,55 µm—ideal untuk perangkat yang tidak sensitif terhadap polirisasi.
ER dan ΔBER sebagai fungsi panjang gelombang untuk (a) NITO = 5,6×10²⁰ cm⁻³ dan (b) NITO = 6,0×10²⁰ cm⁻³.
Peningkatan NITO meningkatkan serapan hingga titik ENZ, di luar itu penambahan carrier lebih lanjut meningkat κ, mengurangi ER. Gambar 6 mengonfirmasi bahwa ER mencapai puncak di dekat nilai ENZ, sementara ΔER tetap di bawah 0,01 dB/µm, menunjukkan kekebalikan polirisasi yang kuat.
ER dan ΔER versus NITO untuk modulator EA (HSi = 340 nm, WSi = 310 nm, Hp = 20 nm, Wp = 25 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm).
Untuk mengevaluasi kinerja praktis, kami mensimulasikan modulator panjang 14 µm yang diangkitkan dengan cahaya 1,55 µm dalam polirisasi TE dan TM. Gambar 7a–d menampilkan distribusi medan listrik dan magnetik transvers untuk keadaan ON dan OFF, mengonfirmasi bahwa ΔER 0,009 dB/µm menyeimbangkan intensitas keluaran sepanjang panjang perangkat.
Distribusi medan E_x untuk TE (a,b) dan E_y untuk TM (c,d) di seluruh pusat waveguide Si untuk keadaan ON dan OFF. Parameter: HSi = 340 nm, WSi = 310 nm, Hp = 20 nm, Wp = 25 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm.
Efisiensi kopling di antara waveguide plasonik dan stripe silikon dievaluasi dengan mengubah lebar waveguide Si. Gambar 8 menunjukkan efisiensi kopling (CE) untuk kedua polirisasi. Sementara ketidakcocokan mode memperkenalkan beberapa cahaya yang terpantul, ΔCE tetap di bawah 6% pada lebar optimal, menghasilkan CE 80,46% (TE) dan 74,83% (TM) dalam keadaan ON.
CE di antara waveguide plasonik (Hp = 20 nm, Wp = 25 nm) dan waveguide Si versus lebar untuk mode TE dan TM dalam keadaan ON dan OFF (HSi = 340 nm, WSi = 310 nm, DITO = 10 nm, HAu = 100 nm).
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan, melalui simulasi rinci, modulator elektro-absorpsi yang secara intrinsik tidak sensitif terhadap polirisasi. Dengan mengintegrasikan waveguide plasonik hibrida di kedua arah x dan y, perangkat mendukung mode dual-polarisasi dan membentuk kapasitor MOS yang menginduksi akuumulasi carrier di antarmuka dielektrik-ITO. Pengaturan kepadatan carrier menghasilkan perbedaan rasio punah hanya 0,009 dB/µm pada 1,55 µm, catatan terendah yang menghilangkan kehilangan bergantung pada polirisasi. Efisiensi kopling di atas 74% untuk kedua polirisasi TE dan TM dicapai menggunakan waveguide silikon pemakan. Modulator plasonik berbasis ITO ini merupakan bangunan terintegrasi yang kompak dan kompatibel CMOS untuk PIC berkinerja tinggi. Kerja masa depan akan difokuskan pada pengoptimalan geometri pelapisan asimetris untuk meningkatkan toleransi pembuatan tanpa mengorbankan kinerja.
