В Сколтехе создали сверхкомпактный модулятор для фотонных интегральных схем
Электрооптический микромодулятор на основе кремниевой фотоники и плазмоники, который позволяет эффективно управлять оптическими сигналами, разработали специалисты Сколковского института науки и технологий (Сколтех), 28 апреля сообщает пресс-служба вуза.
Разработка ученых Сколтеха может использоваться при создании систем оптической связи, аналого-цифрового преобразования и в устройствах формирования и обработки сверхвысокочастотных сигналов на основе фотонных технологий.
Исследования велись в рамках проекта РНФ «Нелинейные эффекты в макроскопических волновых системах и фотонных интегральных устройствах». Полученные результаты были представлены в статье «Преимущества многомодовых электрооптических модуляторов Si-ITO для сбалансированной маршрутизации сигналов» (Advantages of multimode Si-ITO electro-optical modulators for balanced signal routing), опубликованной в журнале Light: Advanced Manufacturing.
Разработанное устройство включает многомодовый кремниевый волновод шириной 7 микрометров и толщиной 220 нанометров и слой прозрачного проводящего оксида индия и олова.
Модулирование проходящего света достигается при подаче напряжения: изменяется концентрация электронов в тончайшем слое толщиной около 2 нанометров на границе оксида с изолирующим слоем диоксида кремния, это вызывает изменение показателя преломления и коэффициента поглощения материала.
Многомодовый режим работы волновода является главным отличием нового модулятора от существующих аналогов. В его широком волноводе могут распространяться одновременно несколько мод, интерферирующих друг с другом. Изменяя параметры возбуждения мод, можно получить или амплитудную, или фазовую модуляцию света. На выходе устройства при этом будут два пространственно разделенных сигнала, на 180 градусов сдвинутых относительно друг друга по фазе.
Первый автор статьи, младший научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Анастасия Земцова отметила:
«Эта публикация является важным достижением в изучении свойств плазмонных интегральных модуляторов на основе прозрачных проводящих оксидов. Все этапы изготовления и тестирования модулятора были выполнены в Лаборатории плазмоники Центра инженерной физики Сколтеха».
Она подчеркнула, что в их публикации была впервые продемонстрирована экстинкция (ослабление интенсивности пучка света при его распространении) модулятора на постоянном токе и его высокочастотный отклик, при этом наблюдается значительное отличие в коэффициенте экстинкции, вызванное принципиально разными механизмами.
Использование уникального многомодового режима работы позволило добиться рекордных значений экстинкции при постоянном токе — 20,6 дБ для структуры длиной 1,6 мкм от -2 до 1,5 В, то есть 12,8 дБ/мкм. В частотном режиме коэффициент экстинкции модулятора составляет 2,48 дБ при частоте модуляции 10 МГц и снижается до 1,25 дБ при частоте 1 ГГц в диапазоне напряжений от -2 до 2 В для модулятора длиной 3,6 мкм.
Соавтор работы, научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Даниил Земцов добавил:
«Уникальная особенность структуры — в возможности гибкой настройки. Один и тот же модулятор может быть амплитудным, фазовым или даже комбинировать эти режимы. При этом балансный выход, помимо преимуществ в шумовых характеристиках, позволяет реализовать пространственную модуляцию в масштабе фотонной интегральной схемы — и всё это в устройстве с микронными размерами».
Научный руководитель исследования, директор Центра инженерной физики Сколтеха профессор Владимир Драчёв указал на практическую значимость работы, которая «заключается в возможности создания компактных фотонных интегральных схем для систем обработки сигналов с балансным детектированием».
Для подавления шума и усиления полезного сигнала в таких системах на фотодетектор подаются два сигнала с противоположной фазой, что обычно достигается использованием интерферометра Маха — Цендера, длина которого составляет несколько миллиметров.
Устройство, предложенное сколтеховцами, имеет в длину всего несколько микрометров и выполняет ту же функцию в одном волноводе, упрощая интеграцию. При этом его умеренная экстинкция позволяет применять такое устройство в высокоскоростной обработке сигналов.
Еще одним преимуществом данного микромодулятора, повышающим практический интерес к разработке, является возможность настройки его характеристик после изготовления. Менять вклад различных мод, а значит, модуляционные характеристики устройства, можно, изменяя положение подводящего и отводящего оптического волокна относительно поверхности чипа, что значительно упрощает калибровку.
