[論文レビュー] Ultra-compact modulators based on novel CMOS-compatible plasmonic materials

Viktoriia E. Babicheva, Nathaniel Kinsey+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2013

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 20被引用数 89

ひとこと要約

本論文では、通信波長帯で1 µm未満の長さで3-dBの変調を達成し、86 dB/µmの消光比を実現する、CMOSプロセスと互換性のある透明導電酸化物（TCO）を用いた超小型プラズモン波ガイド変調器を提案する。電気的にTCO層内のキャリア濃度を調整することで、プラズモン共鳴状態と非共鳴状態の間をスイッチングし、高速かつエネルギー効率の高い光変調を実現する。

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.

研究の動機と目的

• 集積光回路におけるサブミクロンスケール光変調器の需要に対応する。
• 従来のシリコンベース変調器の限界を克服し、より小型のフォームファクタと高い帯域幅を実現する。
• 光学的特性の効率的な電気的チューニングを可能にする、CMOSプロセスと互換性のあるプラズモン材料を開発する。
• 実用的なオンチップ統合を可能にする、コンactなフォームファクタで高い消光比を達成する。
• 材料と平面的構造の両面で互換性を持つことで、既存の光回路および電子回路とのシームレスな統合を実現する。

提案手法

• アクティブチューニング層として透明導電酸化物（TCO）を用いた平面的マルチレイヤー・プラズモン波ガイド構造を設計する。
• TCO内の自由キャリア濃度を電気ゲートで制御することで、誘電関数を変化させる。
• キャリア密度に応じて、共鳴または非共鳴プラズモンモードを支持するように波ガイドの幾何形状を最適化する。
• プラズモン共鳴を活用して吸収係数を増大させ、強い場の閉じ込めにより変調深を向上させる。
• 消光比とデバイス長を最適化するために、電磁気的シミュレーションを用いて光学的応答をモデル化する。
• 材料選択と構造設計により、標準的なCMOSプロセスと完全に適合させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSプロセスと互換性のある透明導電酸化物は、プラズモン波ガイドの効率的な電気的チューニングを可能にするか？
• RQ2 サブミクロンスケールのプラズモン変調器で、単位長さあたりに達成可能な最大の消光比は何か？
• RQ3 波ガイドを共鳴状態と非共鳴状態で動作させた場合、変調深と帯域幅にどのような影響があるか？
• RQ4 超小型変調器（<1 µm）は、実用的なオンチップ光インターコネクトに十分な消光比を達成できるか？
• RQ5 このような変調器を既存の光回路および電子回路と統合する可能性は何か？

主な発見

• 提案されたプラズモン波ガイド変調器では、86 dB/µmの消光比が達成された。
• 1550 nmの通信波長帯で、デバイス長1 µm未満で3-dBの変調深が実現された。
• 共鳴動作により吸収係数が顕著に増大し、極めて短いデバイス長で強力な変調が可能になった。
• 変調器設計は標準的なCMOSプロセスと完全に適合しており、スケーラブルな統合が可能である。
• マルチレイヤー構造により、既存のプラズモン波ガイドおよび光波ガイドとのシームレスな統合が可能である。
• TCO内のキャリア濃度の制御による電気的チューニングは、高速かつエネルギー効率の高い変調メカニズムを提供する。