[論文レビュー] A compact plasmonic MOS-based 2x2 electro-optic switch

Chenran Ye, Ke Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、酸化亜鉛インジウム（ITO）を活性波ガイド材料として用いたプラズモニック金属-酸化物-半導体（MOS）構造を用いたコンact 2×2 電気光スイッチを提案する。ゲーティング電圧を印加することでITO内のプラズモン周波数をシフトさせ、屈折率を変調することにより、横磁気（TM）偏光光をCROSSおよびBAR出力ポート間で動的に制御可能であり、CROSS状態で18 dB、BAR状態で7 dBの消光比を達成した。これは、シリコンオンインサレータ（SOI）統合に適した超高速かつ低エネルギーfJ/bit動作を実現した。

ABSTRACT

We report on a three-waveguide electro-optic switch for compact photonic integrated circuits and data routing applications. The device features a plasmonic metal-oxide-semiconductor (MOS) mode for enhanced light-matter-interactions. The switching mechanism originates from a capacitor-like design where the refractive index of the active medium, Indium-Tin-Oxide, is altered via shifting the plasma frequency due to carrier accumulation inside the waveguide-based MOS structure. This light manipulation mechanism controls the transmission direction of transverse magnetic polarized light into either a CROSS or BAR waveguide port. The extinction ratio of 18 dB (7) dB for the CROSS (BAR) state, respectively, is achieved via a gating voltage bias. The ultrafast broadband fJ/bit device allows for seamless integration with Siliconon- Insulator platforms to for low-cost manufacturing.

研究の動機と目的

• フォトニクス統合回路およびデータルーティングに適したコンパクトで低エネルギー消費の電気光スイッチの開発。
• 表面プラズモン極化波を用いて小型化された波ガイド構造内での光-物質相互作用を強化すること。
• ITOベースのMOS構造におけるキャリア誘起屈折率変調を用いて、TM偏光光の動的制御を実現すること。
• シリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォームと互換性を持つ高消光比および超高速スイッチングを実現し、低エネルギー消費を達成すること。
• 既存のCMOS準拠フォトニクス技術とのシームレス統合の可能性を実証すること。

提案手法

• 中央にITOベースの波ガイドを有する三波ガイド構造を採用し、キャパシタ型MOS構造を形成する。
• ゲーティング電圧を印加することでITOにキャリアを蓄積させ、そのプラズモン周波数をシフトさせ、波ガイドモードの有効屈折率を変化させる。
• 屈折率の変調により、出力ポート（CROSSおよびBAR）間の位相およびパワー分配が動的に制御可能となる。
• プラズモニックモードはITO-シリコン界面で光を強く閉じ込め、光-物質相互作用を強化し、波長未満のデバイスサイズを実現可能となる。
• スイッチングメカニズムはITO層におけるキャリア蓄積に依存し、誘電関数の変化が導波モードの伝搬定数を変化させることで実現される。
• デバイスはシリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォームと互換性があり、低コストでスケーラブルなプロセスによるプロダクションが可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITOにおけるプラズモニックMOS構造は、統合フォトニクス回路向けに効率的かつコンパクトな電気光スイッチングを実現できるか？
• RQ2 ITOにおけるキャリア誘起屈折率チューニングは、2×2スイッチでどれほど高い消光比を達成できるか？
• RQ3 スイッチングメカニズムのエネルギー効率は、ビットあたりのエネルギー（fJ/bit）としてどの程度か？
• RQ4 CMOS準拠プラットフォームにおいて、デバイスサイズおよび動作波長の変化に伴うデバイス性能のスケーリング特性はいかなるものか？
• RQ5 プラズモニックMOS構造は、最小限のクロストークと低光学損失を伴い、超高速スイッチングを実現できるか？

主な発見

• CROSS状態で18 dB、BAR状態で7 dBの消光比を達成し、効果的なスイッチング性能を示した。
• スイッチング機構は超低エネルギー消費で動作し、高速データ通信に適したfJ/bitレベルのエネルギー効率を達成した。
• プラズモニックMOS構造により強い光閉じ込めと強化された光-物質相互作用が実現され、波長未満のデバイス寸法が可能となった。
• デバイスはシリコンオンインサレータ（SOI）プラットフォームと互換性があり、既存のCMOSプロセスと低コストでスケーラブルに統合可能である。
• スイッチングはITO内でのキャリア蓄積に基づくものであり、プラズモン周波数の変調が活性波ガイドの屈折率を変化させることで実現される。
• 設計によりTM偏光光の動的制御が可能であり、印加されたゲーティング電圧によって出力ポートが選択可能である。