[論文レビュー] Nanoscale Plasmonic and Optical Modulators Based on Transparent Conducting Oxides

Zhaolin Lu, Wangshi Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2012

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、透明導電酸化物（TCO）の可変光学特性とスロット波ガイドの場強化効果を活用することで、効率的なナノスケール電気吸収変調を実現するTCOスロット波ガイドを提案する。TCOの誘電率をゼロ近くにチューニングすることで、光吸収が急激に増幅され、200 nm以内の短い長さで低挿入損失で効率的な変調が達成される。

ABSTRACT

Recent experiments showed that unity-order index change in a transparent conducting oxide (TCO) can be achieved in a metal-oxide-semiconductor (MOS) structure by accumulation charge. However, the ultrathin (~5nm) accumulation layer and inherent absorption of TCOs impede the practical applications of this effect. Herein, we propose and explore a novel waveguide, namely "TCO-slot waveguide", which combines both the tunable property of a TCO and field enhancement of a slot waveguide. In particular, light absorption can be sharply enhanced when the slot dielectric constant is tuned close to zero. Based on TCO-slot waveguides, efficient electro-absorption modulation can be achieved within 200 nm with small insertion loss.

研究の動機と目的

• 既存のTCOベースの変調器における超薄いTCO層の制限および固有の吸収の課題を解決すること。
• TCOを用いた効率的でコンactな光変調を実現する上で直面する実用的課題を克服すること。
• TCOの可変性とスロット波ガイドの場強化効果を組み合わせた波ガイド構造を設計すること。
• 最小限の挿入損失でナノスケールで効率的な電気吸収変調を実現すること。

提案手法

• スロット波ガイド構造に透明導電酸化物（TCO）層を統合することで、新たな波ガイド構造「TCOスロット波ガイド」を設計する。
• 金属-酸化物-半導体（MOS）構造における電荷蓄積を用いて、TCOの誘電率を可変化する。
• スロット領域における場強化効果を活用し、光学エネルギーを集中させ、吸収を増幅する。
• 吸収および伝搬特性を分析するため、波ガイドの電磁気的応答をモデル化する。
• 吸収変調深度を最大化し、挿入損失を最小化するために、TCOの厚さおよびスロット寸法を最適化する。
• バイアス条件を変化させたシミュレーションにより、可変電気吸収変調の有効性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TCOスロット波ガイド構造は、場の集中と可変TCO特性を活用して光学吸収を効果的に増幅できるか？
• RQ2 TCOの誘電率をゼロ近くにチューニングすると、ナノスケール波ガイドにおける吸収効率にどのように影響するか？
• RQ3 この構造を用いて効率的な電気吸収変調を達成するための最小デバイス長は何か？
• RQ4 コンパクトなTCOベースの変調器において、挿入損失を最小限に抑えながら高い変調深度を維持できるか？
• RQ5 提案されたTCOスロット波ガイドにおける吸収増幅と伝搬損失のトレードオフは何か？

主な発見

• TCOスロット波ガイドは、200 nmのデバイス長で効率的な電気吸収変調を実現する。
• TCOの誘電率をゼロに近づけることで、光吸収が急激に増幅され、強力な変調効率が達成される。
• 場の閉じ込めと制御されたTCO厚さの組み合わせにより、本構造は低挿入損失を維持する。
• 波ガイド設計により、TCO層の電気ゲート制御によって可変光学応答が実現できる。
• シミュレーションにより、TCOスロット波ガイドが強い場強化と誘電率チューニングに対する高い感度を示すことが確認された。
• 本システムは、マイクロメートル未満のフットプリントで実現可能なナノスケール統合光変調器として実用的であることが示された。