[论文解读] A compact plasmonic MOS-based 2x2 electro-optic switch

Chenran Ye, Ke Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于等离子体金属-氧化物-半导体（MOS）结构的紧凑型2×2电光开关，采用氧化铟锡（ITO）作为有源波导材料。通过施加门电压调节ITO中的等离子体频率，实现对折射率的调制，从而实现对横磁（TM）偏振光在CROSS与BAR输出端口间的动态控制，CROSS态的消光比为18 dB，BAR态为7 dB，实现超快、低能量消耗（fJ/bit）的运行，适用于绝缘体上硅（SOI）集成。

ABSTRACT

We report on a three-waveguide electro-optic switch for compact photonic integrated circuits and data routing applications. The device features a plasmonic metal-oxide-semiconductor (MOS) mode for enhanced light-matter-interactions. The switching mechanism originates from a capacitor-like design where the refractive index of the active medium, Indium-Tin-Oxide, is altered via shifting the plasma frequency due to carrier accumulation inside the waveguide-based MOS structure. This light manipulation mechanism controls the transmission direction of transverse magnetic polarized light into either a CROSS or BAR waveguide port. The extinction ratio of 18 dB (7) dB for the CROSS (BAR) state, respectively, is achieved via a gating voltage bias. The ultrafast broadband fJ/bit device allows for seamless integration with Siliconon- Insulator platforms to for low-cost manufacturing.

研究动机与目标

• 开发一种适用于光子集成电路与数据路由的紧凑型、低能耗电光开关。
• 利用表面等离子体极化波，在微型化波导结构中增强光与物质的相互作用。
• 通过ITO基MOS结构中的载流子诱导折射率调制，实现对TM偏振光的动态控制。
• 实现高消光比与超快切换速度，同时保持低能耗，以适配绝缘体上硅平台。
• 展示与现有CMOS兼容光子技术无缝集成的潜力。

提出的方法

• 该器件采用三波导结构，中心为ITO基波导，形成类似电容的MOS结构。
• 施加门电压以在ITO中积累载流子，从而改变其等离子体频率，改变波导模式的有效折射率。
• 折射率调制使相位与功率分布可在两个输出端口（CROSS与BAR）之间实现动态调控。
• 等离子体模式将光紧密限制在ITO-硅界面，增强光与物质的相互作用，实现亚波长量级的器件尺寸。
• 开关机制依赖于ITO层中的载流子积累，从而改变其介电响应，进而调节导波模式的传播常数。
• 该器件设计与绝缘体上硅（SOI）平台兼容，支持低成本、可扩展的制造工艺。

实验结果

研究问题

• RQ1 ITO中的等离子体MOS结构能否在集成光子电路中实现高效且紧凑的电光开关？
• RQ2 ITO中载流子诱导的折射率调谐在2×2开关中能实现多高的消光比？
• RQ3 该开关机制的能量效率如何，以每比特能量（fJ/bit）衡量？
• RQ4 在CMOS兼容平台上，器件性能如何随尺寸与工作波长变化？
• RQ5 该等离子体MOS结构能否实现超快开关，同时具备最小串扰与低光学损耗？

主要发现

• 器件在CROSS态下实现18 dB的消光比，在BAR态下为7 dB，证明了其有效的开关性能。
• 开关机制具有超低能量消耗，实现fJ/bit量级的能量效率，适用于高速数据通信。
• 等离子体MOS结构实现了强光限制与增强的光与物质相互作用，支持亚波长量级的器件尺寸。
• 该器件与绝缘体上硅（SOI）平台兼容，支持低成本、可扩展的集成，与现有CMOS制造工艺无缝对接。
• 开关基于ITO中的载流子积累，通过调制等离子体频率，从而改变有源波导的折射率。
• 该设计支持对TM偏振光的动态控制，通过施加门电压选择输出端口。