[论文解读] 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 89

一句话总结

本文提出了一种基于CMOS兼容透明导电氧化物（TCOs）的超紧凑等离子波导调制器，实现了高速、低功耗的光调制。通过电学调控TCO层中的载流子浓度，波导可在等离子共振态与非共振态之间切换，实现86 dB/µm的消光比，并在1550 nm通信波长下实现小于1 µm的3-dB调制。

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.

研究动机与目标

• 解决集成光子电路中对亚微米尺度光调制器的需求。
• 通过实现更小的芯片面积和更高的带宽，克服传统硅基调制器的局限性。
• 开发可与CMOS工艺兼容的等离子材料，实现光学性质的高效电学调控。
• 在紧凑尺寸内实现高消光比，以实现实际的片上集成。
• 通过兼容的材料和平面化设计，实现与现有光子和电子电路的无缝集成。

提出的方法

• 设计基于透明导电氧化物（TCOs）作为主动调制层的平面多层等离子波导结构。
• 利用电门控调节TCO中的自由载流子浓度，从而改变其介电函数。
• 通过优化波导几何结构，使其根据载流子密度支持共振或非共振等离子模式。
• 利用等离子共振增强吸收，通过强场限制提高调制深度。
• 使用电磁仿真建模光学响应，以优化消光比和器件长度。
• 通过材料选择和结构设计，确保与标准CMOS制造工艺的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMOS兼容的透明导电氧化物能否实现对等离子波导的高效电学调控？
• RQ2 在亚微米尺度的等离子调制器中，单位长度可实现的最大消光比是多少？
• RQ3 在共振与非共振状态下运行波导，对调制深度和带宽有何影响？
• RQ4 超紧凑调制器（<1 µm）能否实现足够高的消光比以满足实际片上光互连需求？
• RQ5 此类调制器与现有光子和电子电路集成的潜力如何？

主要发现

• 所提出的等离子波导调制器实现了86 dB/µm的消光比。
• 在1550 nm通信波长下，器件长度小于1 µm即可实现3-dB调制深度。
• 共振工作显著增强了吸收系数，从而在极短器件长度下实现强调制。
• 调制器设计完全兼容标准CMOS制造工艺，支持可扩展集成。
• 多层结构可实现与现有等离子和光子波导的无缝集成。
• 通过TCO中载流子浓度控制实现的电学调控，提供了一种快速且低功耗的调制机制。