[논문 리뷰] Ultracompact Field Effect Electro-Absorption Plasmonic Modulator

Kaifeng Shi, Zhaolin Lu|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 29.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유도주석산화아연(Indium Tin Oxide, ITO)을 통합한 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 파장계를 기반으로 한 초소형 전기흡수 플라스모닉 변조기의 구현을 제시한다. 고상수 절연체와 双-게이트 구조를 통한 전기장 효과 증강을 통해 고속 작동을 달성하였으며, 길이가 단지 800 nm에 불과함에도 불구하고 10 MHz에서 2.43 dB의 외부 비율을 달성하고 최대 500 MHz까지 작동 가능하여, 고속 온칩 광간선을 위한 나노스케일 솔루션을 입증한다.

ABSTRACT

One of the technical barriers impeding the wide applications of integrated photonic circuits is the lack of ultracompact, high speed, broadband electro-optical (EO) modulators, which up-convert electronic signals into high bit-rate photonic data. In addition to direct modulation of lasers, EO modulators can be classified into (i) phase modulation based on EO effect or free-carrier injection, or (ii) absorption modulation based on Franz-Keldysh effect or quantum-confined Stark effect. Due to the poor EO properties of regular materials, a conventional EO modulator has a very large footprint. Based on high-Q resonators, recent efforts have advanced EO modulators into microscale footprints, which have nearly reached their physical limits restricted by the materials. On-chip optical interconnects require ultrafast EO modulators at the nanoscale. The technical barrier may not be well overcome based on conventional approaches and well-known materials. Herein, we report an EO modulator, more specifically electro-absorption (EA) modulator, based on the integration of a novel yet inexpensive active material, indium tin oxide (ITO), in a metal-insulator-metal (MIM) plasmonic waveguide platform, where the field effect is then greatly enhanced by high-k insulator and double capacitor gating scheme. The modulator waveguide length is only 800 nm, which is the smallest recorded dimension according to our knowledge. Preliminary results show that it has extinction ratio of 1.75 (2.43 dB) at 10 MHz, works up to 500 MHz (limited by testing setup for now), and can potentially operate at high speed.

연구 동기 및 목표

• 통합 광전자 회로를 위한 초소형, 고속, 광대역 전기광학 변조기의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 재료와 구조를 기반으로 한 전통적 전기광학 변조기의 물리적 침지 크기 제약을 극복하기 위해.
• 플라스모닉 파장계와 활성 물질 내 전기장 효과 증강을 활용하여 나노스케일 광학 변조를 실현하기 위해.
• 유도주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)을 플라스모닉 플랫폼에 통합하여 온칩 광간선을 위한 실용적이고 저비용이며 확장 가능한 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 전기흡수 변조를 가능하게 하기 위해 활성 물질로 인디움 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)을 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 플라스모닉 파장계에 통합.
• 전기장 효과를 향상시키고 캐리어 변조 효율을 높이기 위해 고상수 절연체 층을 활용.
• ITO 층을 관통하는 전기장 강도를 더욱 증폭하기 위해 이중 커패시터 게이팅 구조를 구현.
• 빛을 회절 한계 이하로 갇히는 플라스모닉 파장계 구조를 사용하여 극한의 소형화를 실현.
• 전기흡수 변조기로서 보고된 바에 비해 가장 작은 면적을 달성하기 위해 800 nm 길이의 파장계를 설계.
• 적용된 전기장 하에서 ITO 내 프랑츠-켈디시 효과를 활용하여 광학 흡수를 변조.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ITO 기반의 플라스모닉 변조기가 고급 외부 비율과 대역폭을 확보하면서도 마이크론 이하 스케일에서 작동할 수 있는가?
• RQ2 고상수 절연체와 이중 게이팅을 통한 전기장 효과 증강이 나노스케일 플라스모닉 파장계에서 전기흡수 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 MIM 구조에서 ITO를 사용한 기능성 전기흡수 변조기의 최소 장치 길이는 얼마인가?
• RQ4 플라스모닉 플랫폼에 ITO를 통합함으로써 온칩 광간선에 적합한 고속 작동이 얼마나 가능해지는가?
• RQ5 유도주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)과 같은 저비용이고 확장 가능한 재료가 초소형 변조기에서 기존 전기광학 재료를 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 기록적인 800 nm 파장계 길이를 확보하여 전기흡수 변조기 중에서 보고된 바에 비해 가장 작은 면적을 달성.
• 10 MHz에서 측정된 외부 비율이 1.75(2.43 dB)로 효과적인 광학 변조를 입증.
• 최대 500 MHz까지 작동 가능하며, 테스트 장비의 제약 이외에는 더 높은 속도로 작동 가능할 것으로 예상.
• 고상수 절연체와 이중 게이팅 구조의 통합은 전기장 효과를 크게 향상시켜 나노스케일에서 효율적인 변조를 가능하게 함.
• MIM 플라스모닉 파장계에 ITO를 통합함으로써 강한 빛-물질 상호작용과 소형화된 면적 확보 가능.
• 제안된 설계는 온칩 광간선을 위한 확장 가능하고 저비용이며 초소형 전기광학 변조기로의 실현 가능성을 입증.