Одной из важнейших характеристик оптического модулятора является его скорость модуляции или полоса пропускания, которая должна быть как минимум такой же быстрой, как у доступной электроники. Транзисторы с частотами пропускания, значительно превышающими 100 ГГц, уже были продемонстрированы в кремниевой технологии 90 нм, и скорость будет увеличиваться по мере уменьшения минимального размера элемента [1]. Однако полоса пропускания современных модуляторов на основе кремния ограничена. Кремний не обладает χ(2)-нелинейностью из-за своей центросимметричной кристаллической структуры. Использование деформированного кремния уже привело к интересным результатам [2], но нелинейность пока не позволяет создавать практические устройства. Поэтому современные кремниевые фотонные модуляторы по-прежнему полагаются на дисперсию свободных носителей в p-n- или pin-переходах [3–5]. Было показано, что переходы с прямым смещением демонстрируют произведение напряжения на длину всего лишь VπL = 0,36 В мм, но скорость модуляции ограничена динамикой неосновных носителей. Тем не менее, скорость передачи данных 10 Гбит/с была достигнута с помощью предварительного искажения электрического сигнала [4]. Использование обратно смещенных переходов позволило увеличить полосу пропускания примерно до 30 ГГц [5,6], но произведение напряжения на длину возросло до VπL = 40 В·мм. К сожалению, такие плазменные фазовые модуляторы также создают нежелательную модуляцию интенсивности [7] и нелинейно реагируют на приложенное напряжение. Однако современные форматы модуляции, такие как QAM, требуют линейного отклика и чистой фазовой модуляции, что делает использование электрооптического эффекта (эффекта Поккельса [8]) особенно привлекательным.
2. Подход SOH
Недавно был предложен подход кремний-органического гибрида (SOH) [9–12]. Пример SOH-модулятора показан на рис. 1(a). Он состоит из щелевого волновода, направляющего оптическое поле, и двух кремниевых полосок, которые электрически соединяют оптический волновод с металлическими электродами. Электроды расположены вне оптического модового поля, чтобы избежать оптических потерь [13], рис. 1(b). Устройство покрыто электрооптическим органическим материалом, равномерно заполняющим щель. Модулирующее напряжение передается по металлическому электрическому волноводу и спадает поперек щели благодаря проводящим кремниевым полоскам. Результирующее электрическое поле затем изменяет показатель преломления в щели посредством сверхбыстрого электрооптического эффекта. Поскольку щель имеет ширину порядка 100 нм, нескольких вольт достаточно для создания очень сильных модулирующих полей, по порядку величины равных диэлектрической прочности большинства материалов. Структура имеет высокую эффективность модуляции, поскольку как модулирующее, так и оптическое поле сосредоточены внутри щели, рис. 1(b) [14]. Действительно, уже были показаны первые реализации SOH-модуляторов с субвольтовым режимом работы [11], а также была продемонстрирована синусоидальная модуляция до 40 ГГц [15,16]. Однако проблема при построении низковольтных высокоскоростных SOH-модуляторов заключается в создании высокопроводящей соединительной полоски. В эквивалентной схеме щель может быть представлена конденсатором C, а проводящие полоски резисторами R, рис. 1(b). Соответствующая постоянная времени RC определяет полосу пропускания устройства [10,14,17,18]. Для уменьшения сопротивления R было предложено легировать кремниевые полоски [10,14]. Хотя легирование увеличивает проводимость кремниевых полосок (и, следовательно, увеличивает оптические потери), это приводит к дополнительным потерям, поскольку подвижность электронов ухудшается из-за рассеяния на примесях [10,14,19]. Более того, последние попытки изготовления показали неожиданно низкую проводимость.
Компания Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., расположенная в районе Чжунгуаньцунь (Китай), известном как «Кремниевая долина», является высокотехнологичным предприятием, оказывающим услуги отечественным и зарубежным научно-исследовательским учреждениям, университетам и научным сотрудникам предприятий. Наша компания занимается в основном независимыми исследованиями и разработками, проектированием, производством и продажей оптоэлектронной продукции, а также предоставляет инновационные решения и профессиональные персонализированные услуги научным исследователям и промышленным инженерам. За годы самостоятельной инновационной деятельности компания создала широкий ассортимент усовершенствованной фотоэлектрической продукции, которая широко используется в коммунальном хозяйстве, оборонной промышленности, транспорте, электроэнергетике, финансах, образовании, медицине и других отраслях.
Мы будем рады сотрудничеству с Вами!
Время публикации: 29 марта 2023 г.