[논문 리뷰] Ultra-compact modulators based on novel CMOS-compatible plasmonic materials

Viktoriia E. Babicheva, Nathaniel Kinsey외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 14.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 20인용 수 89

한 줄 요약

이 논문은 통신 파장에서 고속·에너지 효율적인 광 조절을 가능하게 하기 위해 CMOS 호환성 있는 투명 도체 산화물(TCO)을 사용한 초소형 플라스모닉 웨이브가이드 모듈레이터를 제안한다. TCO 층의 운반자 농도를 전기적으로 조절함으로써 웨이브가이드는 플라스모닉 공진 상태와 비공진 상태를 오가는 전환을 이루며, 86 dB/µm의 외부 비율을 달성하고 1 µm 이내에서 3-dB 조절을 실현한다.

ABSTRACT

We propose several planar layouts of ultra-compact plasmonic waveguide modulators that utilize alternative CMOS-compatible materials. The modulation is efficiently achieved by tuning the carrier concentration in a transparent conducting oxide layer, thereby tuning the waveguide either in plasmonic resonance or off-resonance. Resonance significantly increases the absorption coefficient of the plasmonic waveguide, which enables larger modulation depth. We show that an extinction ratio of 86 dB/um can be achieved, allowing for a 3-dB modulation depth in less than one micron at the telecommunication wavelength. Our multilayer structures can potentially be integrated with existing plasmonic and photonic waveguides as well as novel semiconductor-based hybrid photonic/electronic circuits.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 회로에서 1 µm 이하 스케일의 광학 모듈레이터가 필요한 요구를 충족시키기 위해.
• 기존 실리콘 기반 모듈레이터의 한계를 극복하여 더 작은 면적과 더 높은 대역폭을 가능하게 하기 위해.
• 광학적 성질을 효율적으로 전기적으로 조절할 수 있는 CMOS 호환성 플라스모닉 재료를 개발하기 위해.
• 실용적인 칩 내 통합을 위해 소형 면적에서 높은 외부 비율을 달성하기 위해.
• 재료 및 평판 설계에서의 호환성을 통해 기존 광학 및 전자 회로와의 원활한 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 활성 조절 층으로 투명 도체 산화물(TCO)을 사용한 평판 다층 플라스모닉 웨이브가이드 구조를 설계하기 위해.
• TCO의 자유 운반자 농도를 조절하기 위해 전기 게이팅을 활용함으로써 그 유전율 함수를 변화시키기 위해.
• 운반자 농도에 따라 공진 또는 비공진 플라스모닉 모드를 지원하도록 웨이브가이드 기하구조를 설계하기 위해.
• 강한 필드 농축을 통해 흡수를 증가시키고 조절 깊이를 향상시키기 위해 플라스모닉 공진을 활용하기 위해.
• 외부 비율과 장치 길이를 최적화하기 위해 전자기 시뮬레이션을 사용해 광학적 반응을 모델링하기 위해.
• 재료 선택과 구조 설계를 통해 표준 CMOS 제조 공정과의 호환성을 확보하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환성 있는 투명 도체 산화물이 플라스모닉 웨이브가이드의 효율적인 전기 조절을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 1 µm 이하의 플라스모닉 모듈레이터에서 단위 길이당 도달 가능한 최대 외부 비율은 얼마인가?
• RQ3 웨이브가이드를 공진 상태에서 비공진 상태로 운영할 경우 조절 깊이와 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초소형 모듈레이터(<1 µm)가 실용적인 칩 내 광학 인터커넥트에 충분한 외부 비율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 모듈레이터를 기존 광학 및 전자 회로와 통합할 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 플라스모닉 웨이브가이드 모듈레이터에서 86 dB/µm의 외부 비율을 달성하였다.
• 1550 nm 통신 파장에서 장치 길이가 1 µm 이내에서 3-dB 조절 깊이를 실현하였다.
• 공진 작동은 흡수 계수를 크게 향상시켜 짧은 장치 길이로도 강력한 조절을 가능하게 하였다.
• 모듈레이터 설계는 표준 CMOS 제조 공정과 완전히 호환되어 확장 가능한 통합이 가능하였다.
• 다층 구조는 기존 플라스모닉 및 광학 웨이브가이드와의 원활한 통합을 가능하게 하였다.
• TCO 내 운반자 농도 제어를 통한 전기 조절은 빠르고 에너지 효율적인 조절 메커니즘을 제공하였다.