Polarisatie-ongevoelige plasmonische electro-absorptie modulator met epsilon-bijna-nul indium tin oxide

Samenvatting

On-chip telecom-band plasmonische modulators die volledig CMOS-compatibel zijn, zijn cruciaal voor next-generation fotonische geïntegreerde circuits (PIC's). Bestaande ontwerpen reageren typisch slechts op een enkele transversaal-magnetische (TM) modus, wat substantiële polarisatie-afhankelijke verlies veroorzaakt wanneer geïntegreerd met standaard vezelverbindingen die willekeurig gepolariseerd licht leveren. We stellen een plasmonische modulator voor die een silicium golfgeleider omhult met een metaal-oxide/indium tin oxide (ITO) stack. Door de MOS-condensator elektrisch te biassen, duwt ladingsdrager accumulatie aan de ITO/oxide interface het veld in een epsilon-bijna-nul (ENZ) modus—zowel aan de bovenzijde als de zijkanten—afhankelijk van de invoer polarisatie. Deze sterk gelokaliseerde ENZ modus levert sterke electro-absorptie in de "UIT" staat, producerende grote extincieverhoudingen (ER) voor zowel verticale als horizontale polarisaties. Door de oxide dikte in de twee orthogonale richtingen zorgvuldig af te stemmen, worden de ER waarden uitgelijnd, bereikend een ΔER zo laag als 0,01 dB/µm terwijl koppelings-efficiënties boven 74% bij 1,55 µm behouden blijven. Het resulterende apparaat biedt robuuste, polarisatie-ongevoelige modulatie, ideaal voor vezel-gekoppelde PIC's die willekeurige polarisatiestaten tegenkomen.

Achtergrond

Fotonische geïntegreerde circuits hebben snelle voortgang geboekt, gedreven door toepassingen in optische communicatie, sensing, en imaging. Het verkleinen van apparaatvoetafdruk en stroomverbruik blijft een primair doel voor toekomstige high-speed on-chip interconnects. Silicium golfgeleider modulators vertrouwen traditioneel op het veranderen van de brekingsindex of absorptie van een materiaal; echter, silicium's zwakke plasma-dispersie effect en de diffractielimiet van conventionele golfgeleiders leiden tot grote voetafdrukken (≈10³–10⁴ µm²) voor Mach-Zehnder interferometers, en zelfs ring modulators met hoge Q resonantie lijden onder beperkte bandbreedte en temperatuursgevoeligheid.

Plasmonica biedt een pad naar sub-diffractie-gelimiteerde miniaturisatie. Recent werk heeft CMOS-compatibele slot modulators en plasmonische structuren verkend die silicium als actief medium gebruiken, maar prestaties zijn nog beperkt door silicium's bescheiden ladingsdrager dispersie. Transparante geleidende oxiden (TCO's), zoals indium tin oxide (ITO), aluminium-zink oxide, en gallium-zink oxide, bieden een overtuigend alternatief omdat hun permissiviteit elektrisch afgestemd kan worden. Ladingsdrager accumulatie in de ITO laag onder bias kan brekingsindex veranderingen van Δn = 0,092 en absorptie veranderingen van Δk = 0,27 bij 1310 nm produceren, en wanneer het reële deel van de permissiviteit nul benadert—bekend als de epsilon-bijna-nul (ENZ) toestand—piekt absorptie door extreme veldconfinement.

Eerdere plasmonische modulators hebben voornamelijk alleen TM modi ondersteund omdat oppervlaktelading generatie een elektrisch veld normaal op de metaal-dielektrische interface vereist, en slot golfgeleiders TE modi in lage-index regio's confineren. In vezel-gebaseerde systemen leidt de willekeurige polarisatie van binnenkomend licht tot significante polarisatie-afhankelijke verlies tenzij een polarisatie-diversiteitscomponent (bijv. een rotator) wordt toegevoegd, wat typisch additionele koppelingsverlies introduceert. Hoewel sommige ITO-gebaseerde ontwerpen zowel TE als TM modi ondersteunen, kan het extincieverhoudingsverschil (ΔER) nog 0,9 dB/µm bereiken, wat overeenkomt met een 4% efficiëntieboete. Daarom is een plasmonische modulator die minimale ΔER levert terwijl hoge extincie en lage insertieverlies behoudt, essentieel voor polarisatie-ongevoelige PIC's.

In deze studie onderzoeken we een silicium golfgeleider bekleed met een Au/SiO₂/ITO meerlaag met numerieke simulatie. De hybride oppervlakte plasmon polariton (HSPP) modus wordt geëxciteerd langs de lage-index SiO₂/ITO interface, ofwel aan de top of zijkanten, afhankelijk van de invoer polarisatie. Door de ladingsdrager concentratie in de ITO laag via de MOS-condensator af te stemmen, demonstreren we extincieverhoudingen boven 1,43 dB/µm met ΔER onder 0,01 dB/µm, een record laag die polarisatie-afhankelijke verlies merkbaar vermindert.

Methoden

We gebruiken ITO als actief materiaal, exploiterend zijn sterke ladingsdrager-accumulatie respons om hoge-snelheid electro-absorptie te bereiken. De permissiviteit van ITO wordt beschreven door het Drude model:

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

Hierbij is ε∞ de hoge-frequentie permissiviteit, Γ de elektronendempingsfactor, ω de hoekfrequentie, N_ITO de elektronenconcentratie, m* de effectieve massa, e de elementaire lading, en ε₀ de vacuümpermissiviteit. De elektrondichtheid piekt aan de ITO/oxide interface en valt snel af met afstand, wat sterke veldconfinement in de accumulatielaag garandeert.

Het reële deel (ε₁) en imaginaire deel (ε₂) van ITO's permissiviteit versus golflengte voor verschillende elektronenconcentraties. Het ENZ punt wordt geïdentificeerd waar ε₁ nul kruist.

Om zowel TE als TM modi te ondersteunen, incorporeert de golfgeleider twee orthogonale metaal-dielektrische interfaces. De voorgestelde structuur bestaat uit een silicium kern (breedte W_Si, hoogte H_Si), een ITO laag (dikte D_ITO), een SiO₂ intermediaire laag (breedte W_p, hoogte H_p), en een 100 nm Au bekleding. Het apparaat wordt gefabriceerd met standaard e-bundel lithografie, DRIE, PLD, en PECVD—methoden compatibel met CMOS back-end processing. De hybride plasmonische modus propageert in de lage-index regio tussen SiO₂ en ITO, minimaliserend insertieverlies terwijl sterke veldoverlap met de actieve laag behouden blijft.

a 3-D weergave en b dwarsdoorsnede van de EA plasmonische modulator geïntegreerd met een streep dielektrische golfgeleider.

We gebruikten een non-uniforme FDTD mesh met een minimale celgrootte van 0,2 nm en perfect matched layers (PML) om reflecties te onderdrukken. De simulatiegolflengte was ingesteld op 1,55 µm, met brekingsindices n_Si = 3,48, n_SiO₂ = 1,44, en Au dielektrische constante −116,62 + 11,46i. De MIS golfgeleider ondersteunt beide polarisaties met minimale voortplantingsconstante dispariteit, wat efficiënte modulatie mogelijk maakt.

Resultaten en discussie

Figuur 3 illustreert de elektrische veldverdeling voor TE en TM modi onder lage-bias ("AAN") en hoge-bias ("UIT") condities. In de AAN staat concentreert het TE veld aan de zijkanten van de SiO₂ laag, terwijl het TM veld aan de top van de SiO₂ resideert. In de UIT staat verlaagt verhoogde ladingsdrager dichtheid het reële deel van de ITO permissiviteit, trekkend het veld in de accumulatielagen en de absorptie verhoogd. Deze verschuiving piekt bij het ENZ punt, maximaliserend verlies in de UIT staat.

Elektrische veldprofielen voor de TE modus (a, c) en TM modus (b, d) in AAN en UIT staten. Insets tonen de velddichtheid in de ITO laag tijdens UIT. Parameters: W_Si = 310 nm, H_Si = 340 nm, H_p = 20 nm, W_p = 25 nm.

Extincieverhouding (ER) en insertieverlies (IL) worden gedefinieerd als:

$$ \text{ER}=\frac{P_{\text{uit}}(V_{\text{UIT}})}{P_{\text{uit}}(V_{\text{AAN}})} $$ $$ \text{IL}=\frac{P_{\text{in}}-P_{\text{uit}}(V_{\text{AAN}})}{P_{\text{in}}} $$

De voortplantingsverlies α wordt berekend uit het imaginaire deel van de effectieve index: α = 4πκ/λ. α wordt grotendeels bepaald door absorptie in de accumulatielagen, wat beïnvloed wordt door de SiO₂ dimensies. Figuur 4 toont dat het verhogen van W_p de overlap tussen de geguidde modus en de accumulatielaag vermindert, wat ER verlaagt, terwijl ΔER een minimum bereikt wanneer W_p lichtjes H_p overschrijdt.

ER en ΔER versus W_p voor H_p = 20 nm en 30 nm.

Figuur 5 verkent ER en ΔER over golflengte voor verschillende N_ITO waarden. Beide metrics pieken bij het ENZ punt en dalen daarna. Voor N_ITO = 6,0×10²⁰ cm⁻³, zijn de maximale ER's 1,65 dB/µm (TE) en 1,56 dB/µm (TM) bij 1,50 µm, terwijl ΔER een minimum van 0,009 dB/µm bereikt bij de werkende golflengte van 1,55 µm—ideaal voor een polarisatie-ongevoelig apparaat.

ER en ΔER als functies van golflengte voor (a) N_ITO = 5,6×10²⁰ cm⁻³ en (b) N_ITO = 6,0×10²⁰ cm⁻³.

Het verhogen van N_ITO versterkt absorptie tot het ENZ punt, verderwelke verdere ladingsdrager toevoeging κ verhoogt, wat ER verlaagt. Figuur 6 bevestigt dat ER piekt bij de ENZ waarde, terwijl ΔER onder 0,01 dB/µm blijft, demonstrerend sterke polarisatie-immuniteit.

ER's en ΔER versus N_ITO voor de EA modulator (H_Si = 340 nm, W_Si = 310 nm, H_p = 20 nm, W_p = 25 nm, D_ITO = 10 nm, H_Au = 100 nm).

Om praktische prestaties te evalueren, simuleerden we een 14-µm-lange modulator geëxciteerd met 1,55-µm licht in zowel TE als TM polarisaties. Figuren 7a–d tonen de transversale elektrische en magnetische veldverdelingen voor AAN en UIT staten, bevestigend dat de ΔER van 0,009 dB/µm de uitgangsintensiteiten over de apparaatlengte balanceren.

Veldverdelingen van E_x voor TE (a,b) en E_y voor TM (c,d) over het Si golfgeleider centrum voor AAN en UIT staten. Parameters: H_Si = 340 nm, W_Si = 310 nm, H_p = 20 nm, W_p = 25 nm, D_ITO = 10 nm, H_Au = 100 nm.

Koppelingsefficiëntie tussen de plasmonische golfgeleider en een silicium streep werd beoordeeld door de Si golfgeleider breedte te variëren. Figuur 8 toont de koppelingsefficiëntie (CE) voor beide polarisaties. Hoewel modus mismatching enige gereflecteerd licht introduceert, blijft ΔCE onder 6% bij de optimale breedte, wat CE van 80,46% (TE) en 74,83% (TM) in de AAN staat oplevert.

CE tussen de plasmonische golfgeleider (H_p = 20 nm, W_p = 25 nm) en de Si golfgeleider versus breedte voor TE en TM modi in AAN en UIT staten (H_Si = 340 nm, W_Si = 310 nm, D_ITO = 10 nm, H_Au = 100 nm).

Conclusies

We hebben, gedetailleerde simulatie, een electro-absorptie modulator gedemonstreerd die intrinsiek polarisatie-ongevoelig is. Door een hybride plasmonische golfgeleider in zowel de x- als y-richting te integreren, ondersteunt het apparaat duale-polarisatie modi en vormt een MOS-condensator die ladingsdrager accumulatie induceert aan de dielektrisch-ITO interfaces. Het afstemmen van de ladingsdrager dichtheid levert een extincieverhoudingsverschil van slechts 0,009 dB/µm bij 1,55 µm, een record laag die polarisatie-afhankelijke verlies elimineert. Koppelings-efficiënties boven 74% voor zowel TE als TM polarisaties worden bereikt met een silicium voedingsgolfgeleider. Deze ITO-gebaseerde plasmonische modulators vertegenwoordigen een compacte, CMOS-compatibele bouwsteen voor high-performance PIC's. Toekomstig werk zal zich richten op het optimaliseren van de asymmetrische bekledingsgeometrie om fabricatietolerantie te verhogen zonder prestaties te compromitteren.