[論文レビュー] Active Material, Optical Mode and Cavity Impact on electro-optic Modulation Performance

Rubab Amin, Can Suer+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2016

Optical and Acousto-Optic Technologies参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、活性材料（Si、ITO、グラフェン）、光学モード型（ボトム、スロット、ハイブリッド）、キャビティ設計が、電気光変調性能に与える影響を調査する。FEMシミュレーションを用いた半アナリティカルアプローチにより、クライマー＝クロニッガー関係を介して、共鳴エネルギーのシフトと光損失のトレードオフを特定し、最小限の損失で効率的な電気光変調を実現するための最適な材料・モード・キャビティの組み合わせを導くための指標（Δλ/Δα）を確立する。

ABSTRACT

In this paper, three different materials Si, ITO and graphene; and three different types of mode structures bulk, slot and hybrid; based on their electrooptical and electro absorptive aspects in performance are analyzed. The study focuses on three major characteristics of electrooptic tuning, i.e. material, modal and cavity dependency. The materials are characterized with established models and the allowed ranges for their key parameter spectra are analyzed with desired tuning in mind; categorizing into n and k dominant regions for plausible electrooptic and electro absorptive applications, respectively. A semi analytic approach, with the aid of FEM simulations for the eigenmode calculations, was used for this work. Electrooptic tuning i.e. resonance shift properties inside Fabry Perot cavities are investigated with modal and scaling concerns in mind. Tuning changes the effective complex refractive index of the mode dictated by the Kramers Kronig relations which subsequently suggest a tradeoff between the resonance shift and increasing losses. The electrical tuning properties of the different modes in the cavity are analyzed, and subsequently a figure of merit, delta-lambda/delta-alpha was chosen with respect to carrier concentration and cavity scaling to find prospective suitable regions for desired tuning effects.

研究の動機と目的

• 集積光子デバイスにおけるSi、ITO、グラフェンを活性材料として用いた電気光変調性能を評価すること。
• ボトム、スロット、ハイブリッドの光学モード構造が、電場の閉じ込めと変調効率に与える影響を分析すること。
• Fabry-Perot構成における共鳴エネルギーのシフトと損失のトレードオフといったキャビティ効果を調査すること。
• キャリア濃度とキャビティスケーリングに対する指標Δλ/Δαを定量的に評価し、電気光変調の最適動作領域を同定すること。
• クライマー＝クロニッガー関係を制約条件として用いた材料とモード選択に基づき、低損失で高効率な電気光変調器の設計指針を確立すること。

提案手法

• Fabry-Perotキャビティ内の固有モード計算に、半アナリティカルモデルと有限要素法（FEM）シミュレーションを組み合わせた手法を採用した。
• 既存の材料モデルを用いて、Si、ITO、グラフェンの複素屈折率（n と k）を、関連するパラメータ範囲で特徴づけた。
• 電気的チューニング下での光学モードの有効な複素屈折率を、クライマー＝クロニッガー関係で制約した。
• キャリア濃度とキャビティ寸法を関数として、共鳴エネルギーのシフト（Δλ）と光損失（Δα）を評価した。
• トレードオフを考慮しつつ、変調効率を定量化する指標Δλ/Δαを定義し、最適化した。
• スケーリングおよびチューニング条件下での、異なる材料・モード・キャビティの組み合わせにおける性能を体系的に比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si、ITO、グラフェンの電気光変調特性と電気吸収特性は、実現可能な変調範囲と損失トレードオフの観点でどのように異なるか？
• RQ2 光学モード型（ボトム、スロット、ハイブリッド）が、Fabry-Perotキャビティ内での電場閉じこめと変調効率に与える影響は何か？
• RQ3 キャビティスケーリングは、電気的チューニング時の共鳴エネルギーのシフトと光損失にどのように影響するか？
• RQ4 実用的な電気光変調において、共鳴エネルギーのシフト（Δλ）と損失増加（Δα）の最適なバランスは何か？
• RQ5 どの材料・モード・キャビティの組み合わせが、効率的で低損失な変調を実現するための最高の指標（Δλ/Δα）を示すか？

主な発見

• グラフェンは、強い電場閉じこめと高いチューナビリティのおかげで、最高の指標（Δλ/Δα）を示すが、k優勢領域では内在的な損失が高くなる。
• スロット波ガイドは、活性材料とのモード重なりが優れており、ボトムモードと比較して変調効率が向上する。
• キャビティスケーリングの分析から、大きなキャビティはモード閉じこめを向上させるが、単位長あたりの変調効率は低下するというトレードオフが明らかになった。
• クライマー＝クロニッガー関係により、共鳴エネルギーのシフトと光損失の増加が本質的に関連づけられ、特にk値の高い材料では顕著である。
• ITOは、n と k のチューナビリティに優れるが、損失が高く、電場重なりも弱いため、指標はグラフェンに劣る。
• Siベースのシステムは損失が低く、変調範囲が限定的であるため、高度なモード設計を施さない限り、高帯域幅変調には不適切である。