Modulateur d'électro-absorption à polarisation de plasmon de surface insensible à la polarisation basé sur l'oxyde d'étain et d'indium Epsilon-Near-Zero

Contexte

Les circuits intégrés photoniques (PIC) ont fait des progrès remarquables au cours des dernières décennies avec le développement d'applications dans les domaines de la communication optique, de la détection et de l'imagerie [1, 2]. Actuellement, une attention considérable est accordée à la réduction d'échelle et à la réduction de la consommation d'énergie des dispositifs photoniques pour produire des PIC avancés. La photonique Si est considérée comme une solution prometteuse pour les futures interconnexions optiques sur/hors puce à haut débit. Les modulateurs de guide d'ondes Si typiques s'appuient sur la modification électrique des propriétés de réfraction ou d'absorption d'un matériau pour moduler la transmission de la lumière à travers un dispositif. En raison du faible effet de dispersion du plasma du Si et de la limite de diffraction des guides d'ondes Si, les modulateurs Si MZI souffrent de grandes empreintes de ~ 10 ³ –10 ⁴ m ² . Les modulateurs en anneau à résonance Q élevée ont généralement des empreintes plus compactes de ~ 10 ² –10 ³ m ² mais une bande passante optique plus faible et ont tendance à être plus sensibles aux variations de température. La plasmonique fournit une approche pour miniaturiser les dispositifs optiques au-delà de la limite de diffraction [3]. Alternativement, des modulateurs à fente entièrement compatibles CMOS ou des modulateurs plasmoniques utilisant Si comme matériau actif ont été démontrés récemment [4, 5], et la localisation élevée d'un champ lumineux dans le modulateur peut être obtenue. Cependant, les performances du modulateur plasmonique à base de Si sont encore limitées en raison du faible effet de dispersion des porteurs libres dans la couche de Si (guide d'onde/structure).

Récemment, les oxydes conducteurs transparents (TCO), tels que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), l'oxyde d'aluminium-zinc et l'oxyde de gallium-zinc, sont devenus des matériaux actifs attrayants pour les modulateurs d'électro-absorption (EA) intégrés en raison de leurs permittivités réglables électriquement [6 ,7,8,9,10]. Similaire au dispositif MOS à effet de champ à base de silicium où l'accumulation de porteurs se forme sous une tension de polarisation appliquée, densité de porteurs (N _ITO ) peut être réglé à l'interface ITO/diélectrique avec une polarisation appliquée. Des changements évidents de l'indice de réfraction de la couche d'accumulation d'ITO avec une partie réelle Δn = 0,092 et une partie imaginaire Δk = 0,27 ont été rapportés expérimentalement à une longueur d'onde en espace libre de 1310 nm [10]. Lorsque la partie réelle de la permittivité de l'ITO le matériau est accordé à près de zéro, à un certain N _ITO , qui est appelé état « epsilon-near-zero » (ENZ), il a la perte d'absorption maximale due au fort confinement du mode guidé [11]. Afin de former la structure du condensateur MOS et d'améliorer le chevauchement entre le champ optique et la couche de matériau actif, des guides d'ondes à fente [9, 12] et des guides d'ondes plasmoniques hybrides [10] ont été adoptés précédemment dans le but de confiner fortement le mode guidé en ITO. et couche diélectrique. Les modulateurs plasmoniques conventionnels, y compris les modulateurs plasmoniques hybrides, ne prennent en charge qu'un mode magnétique transversal (TM) car la génération de la charge de surface nécessite un champ électrique normal à l'interface métal-diélectrique et le guide d'ondes à fente avec un fort confinement de champ optique ne prend en charge qu'un champ électrique transversal ( TE) dans la région des fentes à faible indice de réfraction. Pour les applications de communication par fibre optique, la lumière provenant d'une fibre a généralement un état de polarisation aléatoire et, par conséquent, le rapport signal sur bruit se dégrade lorsqu'elle se couple dans un modulateur optique sensible à la polarisation. La perte dépendant de la polarisation pourrait être très élevée dans le cas des guides d'ondes plasmoniques et à fente ITO. Par conséquent, un système de diversité de polarisation, tel qu'un rotateur de polarisation [13,14,15], doit être intégré dans le circuit. Cependant, il a généralement une grande perte de couplage dans les cirques. En conséquence, certains modulateurs plasmoniques à base d'ITO avec une faible polarisation dépendant doivent être pris en compte. Un modulateur EA compact avec un stack de TiN/HfO₂ /ITO/Cu déposé sur un guide d'ondes à bande supporte à la fois les modes TE et TM [11], mais la différence entre les taux d'extinction de TE et TM atteint 0,9 dB/um, conduisant à 4 % de l'efficacité de modulation. Par conséquent, un modulateur plasmonique prenant en charge les deux modes de polarisation avec un ΔER minimal est souhaité pour réaliser le guidage et le traitement de la lumière sous-longueur d'onde insensible à la polarisation.

Dans cet article, les propriétés de mode et la modulation de la lumière dans un guide d'ondes en silicium revêtu d'Au/SiO₂ Les multicouches /ITO ont été étudiées par simulation numérique. Pour les deux polarisations, des modes plasmoniques hautement concentrés ont été supportés dans l'Au/SiO₂ empilement /ITO/Si soit au sommet, soit sur les parois latérales du coeur de silicium. L'effet de dispersion des porteurs dans la couche ITO a été utilisé pour la modulation, qui est réglée par la structure de condensateur MOS formée par l'empilement. En réglant l'accumulation de porteuses et la distribution de champ de mode dans un tel guide d'ondes à longueur d'onde inférieure, un taux d'extinction de modulation supérieur à 1,43 dB/μm peut être obtenu avec un ΔER (différence entre les taux d'extinction de deux modes de polarisation) inférieur à 0,01 dB/μm. Ce résultat est prometteur pour réduire la perte dépendant de la polarisation dans le circuit intégré photonique.

Méthodes

Dans cet article, l'ITO est appliqué en tant que matériau actif dans le modulateur proposé. L'effet d'accumulation de porteurs libres a été suggéré comme une approche prometteuse pour réaliser une commutation plasmonique à grande vitesse. Dans des travaux antérieurs, il a été confirmé que l'indice de réfraction de l'ITO peut être considérablement modifié via l'accumulation de porteurs de charge à l'interface ITO/diélectrique dans les structures de condensateur MOS [6, 16]. La permittivité de l'ITO peut être traitée par le mode Drude comme

où ε _∞ est la permittivité haute fréquence, Г est le facteur d'amortissement des électrons, ω est la fréquence angulaire de la lumière, N _ITO est la concentration électronique du matériau ITO, m * est la masse effective, e est la charge électronique, et ε ₀ est la permittivité de l'espace libre. Il a été montré que la concentration d'électrons accumulés maximise à l'interface ITO/diélectrique et diminue rapidement avec la distance croissante de l'interface [11]. La figure 1 représente la partie réelle calculée (ε ₁ ) et partie imaginaire (ε ₂ ) de la permittivité de l'ITO en fonction de la longueur d'onde à certains N _ITO . On voit que, d'après N _ITO = 6.0 × 10 ²⁰ cm ^− 3 , ε ₁ se rapproche de zéro à 1,55 μm. Physiquement, cela représente une transition entre un matériau présentant une réponse diélectrique et une réponse métallique à la lumière incidente; ce point de permittivité est appelé point ENZ. Les matériaux ENZ conduisent à un très grand chevauchement d'amélioration dans le champ optique et la couche d'absorption. Pendant ce temps, l'augmentation de la concentration de porteurs induit également une augmentation correspondante de ε ₂ , ce qui augmente la perte d'absorption dans la couche d'accumulation de porteurs. Dans la suite, nous comparerons les performances de modulation de la lumière pour divers modulateurs ITO EA.

La partie réelle calculée (ε ₁ ) et partie imaginaire (ε ₂ ) de la permittivité de l'ITO en fonction de la longueur d'onde avec différentes concentrations moyennes d'électrons N _ITO . Le point ENZ de la longueur d'onde est défini où ε ₁ franchit zéro

Pour concevoir un modulateur plasmonique prenant en charge et modulant à la fois les modes de guidage TE et TM, au moins deux interfaces métal-diélectriques sont nécessaires, une dans le x direction et l'autre dans le y direction. Dans ce cas, un guide d'ondes plasmonique constitué de guides d'ondes plasmoniques hybrides dans les deux directions verticale et horizontale est proposé. Comme le montre la Fig. 2, le modulateur proposé se compose d'un noyau de Si d'une largeur de W _Si et une hauteur de H _Si , une couche d'ITO conductrice transparente d'une épaisseur de D _ITO , un SiO₂ couche intermédiaire avec une largeur de flanc de W _p et une hauteur de H _p , et une couche de revêtement Au de 100 nm d'épaisseur (beaucoup plus épaisse que la profondeur de pénétration de la lumière). Étant donné que le guide d'ondes Si peut être fabriqué par lithographie par faisceau électronique et par gravure ionique réactive profonde (DRIE), l'ITO mince et le SiO₂ peut être déposé de manière conforme sur le guide d'ondes couche par couche en utilisant la méthode de dépôt laser pulsé (PLD) bien développée et la méthode PECVD ; le modulateur proposé est compatible avec le backend CMOS. L'onde HSPP est excitée le long de la couche à indice de réfraction inférieur entre le SiO₂ et la couche ITO, qui peut réduire efficacement la perte d'insertion. Attribuant aux propriétés de mode assez différentes de ces deux types de guides d'ondes plasmoniques, la modulation optique est intrinsèquement différente, mais ils pourraient être conçus pour être indépendants de la polarisation en optimisant la distribution du champ de mode et la position de la couche active.

un Vue 3D et b coupe transversale du modulateur plasmonique EA proposé intégré à un guide d'ondes diélectrique en bande

Une méthode de domaine temporel aux différences finies (FDTD) est utilisée pour modéliser numériquement les propriétés de propagation. Un maillage non uniforme est utilisé avec une taille spatiale minimale de 0,2 nm. Des limites de couche parfaitement adaptées (PML) sont utilisées pour atténuer le champ sans la réflexion arrière à toutes les limites. L'appareil a été conçu pour fonctionner à une longueur d'onde de 1,55 μm. Les indices de réfraction du silicium et du dioxyde de silicium sont respectivement de 3,48 et 1,44, la constante diélectrique d'une gaine Au est supposée être de − 116.62 + 11.46i à 1,55 μm [17]. Dans ce dispositif, le guide d'onde métal/isolant/silicium (MIS) présente d'excellentes propriétés de propagation, telles qu'une faible perte et un fort confinement optique dans le guide d'onde au-delà de la limite de diffraction. Nos travaux antérieurs sur les guides d'ondes plasmoniques en silicium à gaine complète montrent que ce type de guide d'ondes peut prendre en charge la propagation de mode des deux polarisations et a une très faible différence de constante de propagation [18].

Résultats et discussion

Pour comprendre cette variation dans le guide d'ondes plasmonique hybride induite par la variation NITO, qui est définie comme la concentration moyenne d'électrons dans la couche ITO, les distributions de champ électrique E _x et E _y pour un modulateur EA sont illustrés à la Fig. 3. Comme illustré à la Fig. 3a, b, N _ITO = 1.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , E _x du mode TE est confiné aux deux parois latérales du SiO₂ couche et E _y du mode TM est confiné au sommet du SiO₂ couche, qui offre une combinaison à la fois de forts confinements optiques nettement inférieurs à la limite de diffraction de la lumière et d'une perte de propagation de la lumière relativement faible [18, 19], définie comme l'état « ON ». Comme le montre la Fig. 3c, d, en appliquant une tension aux bornes de la structure du condensateur MOS, les couches d'accumulation de porteurs sont induites à SiO₂ /Interfaces ITO, N _ITO = 5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . En raison de l'augmentation de la densité de porteurs, la partie réelle de la permittivité dans les deux couches d'accumulation de porteurs diminue, ce qui est inférieur à celui du SiO₂ couches, le champ optique sera poussé dans les couches d'accumulation de porteurs. Pendant ce temps, en raison de l'augmentation de la partie imaginaire de la permittivité dans les deux couches d'accumulation de porteurs comme le N _ITO augmente, la perte de propagation de la lumière augmente avec l'augmentation de la perte d'absorption dans les couches d'accumulation de porteurs, qui atteint le maximum au point ENZ, c'est-à-dire l'état « OFF ».

Profils de champs électriques E _x et E _y du modulateur pour a –b État « ON », N _ITO = 1.6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , et c –d État « OFF », N _ITO = 5,6× 10 ²⁰ cm ⁻³ , respectivement. un et c sont pour le mode TE. b et d sont pour le mode TM. Les inserts montrent la densité de champ électrique agrandie dans la couche ITO pour l'état « OFF ». W _Si = 310 nm, H _Si = 340 nm, H _p = 20 nm, O _p = 25 nm

Pour un modulateur de lumière, ER et IL (perte d'insertion) sont les deux paramètres de performance les plus importants. Nous définissons

où P _sortie (P _dans ) est la puissance optique à la sortie (entrée) de l'appareil et V _b est la tension appliquée à l'état « ON » (V _ON ) et l'état « OFF » (V _OFF ). De plus, l'affaiblissement de propagation optique (α ) est défini comme α = 4πκ/λ , λ est la longueur d'onde de fonctionnement et κ est la partie imaginaire de l'indice effectif complexe du mode plasmonique hybride. D'après le calcul, α dépend principalement de l'absorption optique dans les couches d'accumulation de porteurs. Le champ optique dans le guide d'onde plasmonique hybride est principalement confiné dans la couche à faible permittivité (SiO₂ et couche ITO); par conséquent, la perte de propagation changerait avec la variation du SiO₂ couche. Pour étudier l'influence du SiO₂ dimensions de la couche sur les performances de modulation, ER et ΔER en fonction de SiO₂ couche ont été discutés, comme le montre la figure 4. Selon la figure 4, l'ER du mode TE diminue progressivement avec l'augmentation de W _p en raison du chevauchement entre le mode guidé et la couche d'accumulation de porteurs a diminué, conduisant à une faible absorption dans les couches d'accumulation de porteurs. Le ΔER atteint le minimum lorsque W _p est légèrement plus épais que H _p , grâce à un noyau en Si de section rectangulaire et à l'absorption optique de deux parois latérales.

ER et ΔER du modulateur EA versus W _p à H _p = 20 et 30 nm

La figure 5 représente ER et ΔER en fonction de la longueur d'onde pour le modulateur EA avec différents N _ITO . On peut voir que les ER et ER du modulateur EA augmentent avec l'augmentation de la longueur d'onde, atteignant le maximum à une certaine longueur d'onde, puis ER diminuent avec la longueur d'onde augmentant encore, ΔER diminue puis atteint le minimum à une certaine longueur d'onde avec la longueur d'onde augmentant encore. N _ITO car le ER maximum est proche du point ENZ et N _ITO car les RE maximales sont au point ENZ, par exemple, N _ITO = 6.0× 10 ²⁰ cm ^− 3 , les ER maximales des deux modes sont de 1,65 et 1,56 dB/μm à la longueur d'onde de 1,50 μm, et la ΔER minimale est de 0,009 dB/μm à la longueur d'onde de 1,55 μm, qui est notre longueur d'onde de fonctionnement. Pour l'application EA, la condition lorsque le maximum α est atteint peut être défini comme l'état « OFF », et la condition lorsque α est beaucoup plus petit peut être défini comme l'état « ON ». De plus, pour le modulateur EA insensible à la polarisation, la condition lorsque le ΔER minimum est atteint doit faire l'objet d'une grande attention.

ER et ΔER en fonction de la longueur d'onde pour le modulateur EA avec a N _ITO = 5,6 × 10 ²⁰ cm ⁻³ et b N _ITO = 6.0 × 10 ²⁰ cm ⁻³

On voit que N _ITO dans la couche d'accumulation de porteurs change avec les diverses tensions d'application, ce qui entraîne une variation de l'absorption et de la distribution du champ électrique. Pour comprendre les influences de la couche d'accumulation de porteurs sur les performances de modulation EA, ER et ΔER du modulateur proposé sont calculés à la longueur d'onde de fonctionnement. Comme le montre la figure 6. Les ER et ΔER du modulateur EA augmentent avec N _ITO augmentant, atteignant le maximum à un certain N _ITO , puis diminuer avec N _ITO augmentant encore. Les ER maximum des modes TE et TM sont respectivement de 1,62 et 1,59 dB/μm. ΔER augmente d'abord avec l'augmentation de N _ITO puis diminue après avoir atteint un maximum. On voit qu'au point ENZ, les ER des deux modes sont proches du maximum, et ΔER est inférieur à 0,01 dB/μm.

ER et ΔER en fonction de N _ITO pour le modulateur EA. H _Si = 340 nm, O _Si = 310 nm, H _p = 20 nm, O _p = 25 nm, D _ITO = 10 nm, H _Au = 100 nm

Afin de démontrer les performances de l'appareil, des simulations 3D-FDTD ont été réalisées pour un modulateur EA de 14 µm de long. Une lumière de 1,55 µm avec à la fois la polarisation TE et TM est lancée dans le guide d'onde d'entrée Si, puis se propage à travers le modulateur, et enfin couplée dans le guide d'onde Si de sortie. Les figures 7a, b montrent les distributions transversales du champ électrique le long du y -couper au centre du guide d'onde Si à l'état "ON" et à l'état "OFF". Les figures 7c, d montrent les distributions de champ magnétique transversal le long du x -couper au centre du guide d'onde Si à l'état "ON" et à l'état "OFF". Pour l'état « OFF », en raison d'un excellent ΔER de 0,009 dB/μm, les lumières à la sortie des modes TE et TM sont équilibrées avec une longueur de modulation de 14 μm.

Les distributions de champ de E _x pour le mode TE a –b et E _y c –d pour le mode TM le long du y -couper et x -coupe au centre du guide d'onde Si. un et c sont à l'état « ON ». b et d sont à l'état « OFF ». H _Si = 340 nm, O _Si = 310 nm, H _p = 20 nm, O _p = 25 nm, D _ITO = 10 nm, H _Au = 100 nm

Pour la conception du modulateur HSPP utilisant dans les PIC, la largeur du guide d'onde Si W (la hauteur H = H _Si = 340 nm) a été optimisé. En faisant varier la largeur du guide d'ondes dans la plage où les modes TE et TM sont pris en charge, le couplage effectif (CE) est calculé. À partir de la figure 7, une certaine lumière réfléchie à l'interface de couplage est observée en raison de la désadaptation de mode dans ces deux guides d'ondes, ce qui entraîne une perte de couplage. L'incompatibilité de mode entre le guide d'onde à bande Si avec un plus grand n _eff et le guide d'ondes combiné plasmonique devient grand, entraînant une diminution de l'efficacité de couplage. La figure 8 montre le CE (défini comme la radio du flux de puissance enregistré dans un plan derrière l'interface de deux guides d'ondes à la source) entre le guide d'ondes combiné plasmonique (H _p = 20 nm et W _p = 25 nm) et le guide d'onde Si en fonction de la largeur pour les modes TE et TM. On peut voir que lorsque W augmente, le CE (différence entre l'efficacité de couplage de deux modes de polarisation) diminue, atteignant son minimum à une certaine largeur du guide d'onde Si d'entrée, puis augmente avec la marée montante de la largeur du guide d'onde Si d'entrée. En conséquence, les ΔCE minimum sont de 5,63 % (état « ON ») et de 6,38 % (état « OFF »); par conséquent, l'efficacité de couplage est presque insensible à la polarisation avec 80,46 % pour le mode TE et 74,83 % pour le mode TM à l'état « ON ».

Le CE entre le guide d'onde combiné plasmonique et le guide d'onde Si en fonction de la largeur pour les modes TE et TM à l'état "ON" et à l'état "OFF". H _Si = 340 nm, O _Si = 310 nm, H _p = 20 nm, O _p = 25 nm, D _ITO = 10 nm, H _Au = 100 nm

Conclusions

En résumé, nous avons présenté un modulateur de guide d'ondes plasmonique insensible à la polarisation EA. La structure du guide d'ondes se compose de guides d'ondes hybrides dans les deux x et y directions, où des modes de double polarisation existent. Le guide d'ondes plasmonique hybride forme un condensateur MOS où les accumulations de porteurs se produisent aux interfaces diélectrique-ITO lorsque l'électrode en Si dopé est polarisée à une tension inférieure à celle de l'électrode métallique. La modulation de la lumière est étudiée en ajustant la densité de porteurs. Un ΔER minimum de 0,009 dB/μm à la longueur d'onde de 1,55 μm est démontré par simulation. Ce ΔER est le plus bas jamais enregistré comme nous le savons. De plus, des rendements de couplage supérieurs à 74 % pour les deux polarisations sont obtenus en utilisant un guide d'ondes en silicium d'alimentation. Ces modulateurs de guide d'ondes plasmoniques ITO EA pourraient être un élément important pour l'intégration photonique ultra-compacte. Dans les travaux futurs, l'optimisation de la géométrie du revêtement asymétrique avec une plus grande tolérance devrait être envisagée dans un souci de facilité de fabrication.