Одной из важнейших характеристик оптического модулятора является скорость модуляции или полоса пропускания, которая должна быть как минимум такой же быстрой, как и у доступной электроники. Транзисторы с частотами прохождения значительно выше 100 ГГц уже были продемонстрированы в 90-нм кремниевой технологии, и скорость будет еще больше увеличиваться по мере уменьшения минимального размера элемента [1]. Однако полоса пропускания современных кремниевых модуляторов ограничена. Кремний не обладает χ(2)-нелинейностью из-за своей центросимметричной кристаллической структуры. Использование деформированного кремния уже привело к интересным результатам [2], но нелинейности пока не позволяют создавать практические устройства. Поэтому современные кремниевые фотонные модуляторы по-прежнему основаны на дисперсии свободных носителей в pn- или pin-переходах [3–5]. Было показано, что переходы с прямым смещением демонстрируют произведение напряжения на длину всего VπL = 0,36 В·мм, но скорость модуляции ограничена динамикой неосновных носителей. Тем не менее, с помощью предварительной коррекции электрического сигнала были получены скорости передачи данных 10 Гбит/с [4]. Использование обратно смещенных переходов позволило увеличить полосу пропускания примерно до 30 ГГц [5,6], но произведение напряжения на длину увеличилось до VπL = 40 В·мм. К сожалению, такие фазовые модуляторы с плазменным эффектом также создают нежелательную модуляцию интенсивности [7] и нелинейно реагируют на приложенное напряжение. Однако продвинутые форматы модуляции, такие как QAM, требуют линейной реакции и чистой фазовой модуляции, что делает использование электрооптического эффекта (эффект Поккельса [8]) особенно желательным.
2. Подход SOH
Недавно был предложен подход на основе кремний-органического гибрида (SOH) [9–12]. Пример модулятора SOH показан на рис. 1(а). Он состоит из щелевого волновода, направляющего оптическое поле, и двух кремниевых полосок, которые электрически соединяют оптический волновод с металлическими электродами. Электроды расположены вне оптического модального поля, чтобы избежать оптических потерь [13], рис. 1(б). Устройство покрыто электрооптическим органическим материалом, который равномерно заполняет щель. Модулирующее напряжение передается по металлическому электрическому волноводу и уменьшается по всей щели благодаря проводящим кремниевым полоскам. Результирующее электрическое поле затем изменяет показатель преломления в щели за счет сверхбыстрого электрооптического эффекта. Поскольку ширина щели составляет порядка 100 нм, нескольких вольт достаточно для генерации очень сильных модулирующих полей, которые по величине сопоставимы с диэлектрической прочностью большинства материалов. Структура обладает высокой эффективностью модуляции, поскольку как модулирующее, так и оптическое поля концентрируются внутри щели, рис. 1(б) [14]. Действительно, уже были продемонстрированы первые реализации модуляторов SOH с субвольтовым режимом работы [11], а также была показана синусоидальная модуляция до 40 ГГц [15,16]. Однако сложностью создания низковольтных высокоскоростных модуляторов SOH является создание высокопроводящей соединительной полосы. В эквивалентной схеме щель может быть представлена конденсатором C, а проводящие полосы — резисторами R, рис. 1(б). Соответствующая постоянная времени RC определяет полосу пропускания устройства [10,14,17,18]. Для уменьшения сопротивления R было предложено легировать кремниевые полосы [10,14]. Хотя легирование увеличивает проводимость кремниевых полос (и, следовательно, увеличивает оптические потери), оно также приводит к дополнительным потерям, поскольку подвижность электронов ухудшается из-за рассеяния на примесях [10,14,19]. Кроме того, последние попытки изготовления показали неожиданно низкую проводимость.
Компания Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., расположенная в китайской «Кремниевой долине» – районе Чжунгуаньцунь города Пекина, является высокотехнологичным предприятием, ориентированным на обслуживание отечественных и зарубежных научно-исследовательских учреждений, институтов, университетов и научно-исследовательских кадров предприятий. Наша компания занимается в основном самостоятельными исследованиями и разработками, проектированием, производством и продажей оптоэлектронной продукции, предоставляя инновационные решения и профессиональные, персонализированные услуги научным исследователям и инженерам-технологам. За годы самостоятельных инноваций компания сформировала богатый и совершенный ассортимент фотоэлектрической продукции, широко используемой в коммунальном хозяйстве, военной сфере, транспорте, электроэнергетике, финансах, образовании, медицине и других отраслях.
Мы с нетерпением ждём сотрудничества с вами!
Дата публикации: 29 марта 2023 г.