ПЛАНАРНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА НА ПОЛЕВОМ ЭФФЕКТЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЛАЗМОНОВ В ГИБРИДНОМ ВОЛНОВОДЕ Российский патент 2022 года по МПК G02F1/25 G02B6/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее техническое решение относится к технике оптической связи, а именно к устройствам для управления интенсивностью оптического излучения, и может быть использовано для амплитудной модуляции излучения в диапазоне длин волн 1521-1630 нм. с целью обработки и передачи информации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Концепция интегральной оптики подразумевает замену традиционных проводных соединений оптическими планарными волноводами для передачи оптических сигналов, а для их обработки разрабатываются оптические интегральные схемы взамен классических электрических. К преимуществам оптических интегральных схем относятся малые размеры и вес, сниженная потребляемая мощность, а также небольшие потери, практически не зависящие от частоты передаваемого сигнала.

Одним из основных элементов оптических интегральных схем является электрооптический модулятор - прибор для ввода информации в несущую волну света за счет изменения во времени одной из ее характеристик. Такой модулятор должен обеспечивать высокую скорость переключения, обладать низким энергопотреблением, достаточной глубиной модуляции и компактными размерами. Широкое распространение к настоящему моменту получили модуляторы, представляющие собой объемные устройства на базе полупроводниковых материалов, жидких и двулучепреломляющих кристаллов, или полимеров. Основным недостатком таких дискретных устройств является их большой размер, не совместимый с концепцией оптических интегральных схем. Актуальной задачей, таким образом, является разработка технологий и принципов для создания компактных интегральных электрооптических модуляторов, не уступающих по своим характеристикам имеющимся дискретным аналогам.

Большинство имеющихся на настоящий момент модуляторов света основано на эффекте изменения показателя преломления вещества вследствие возникновения двойного лучепреломления под действием приложенного электрического поля (т.н. электрооптический эффект). В общем случае электрооптический эффект является анизотропным и может быть как линейным (эффект Поккельса), так и нелинейным (эффект Керра). На практике чаще всего применяют линейный электрооптический эффект для модуляции света ввиду нежелательных нелинейных искажений сигнала при использовании эффекта Керра.

По изменяемому параметру несущей волны света различают поляризационные, фазовые, частотные и амплитудные модуляторы. Наибольшее распространение в лазерной технике и оптических телекоммуникационных системах получили фазовые электрооптические модуляторы на основе нелинейных одноосных кристаллов, например, ниобата лития. В свою очередь, амплитудные электрооптические модуляторы могут работать на основе различных физических эффектов, таких как эффект Поккельса, эффект Франца-Келдыша (т.н. электроабсорбционные модуляторы), эффект Брэгга (дифракционные модуляторы), акустооптический эффект (акустооптические модуляторы), на основе явления полного внутреннего отражения, и т.д.

Для нужд интегральной оптики часто применяется схема электрооптического модулятора с использованием интерферометра Маха-Цендера, в котором модуляция интенсивности света достигается за счет интерференции когерентных пучков при внесении разности фаз π в одно из двух плеч интерферометра за счет приложенного напряжения. Одной из проблем модуляторов на основе интерферометра Маха-Цендера является необходимость тщательного контроля величины приложенного напряжения как для выключенного, так и для включенного состояния из-за высокой чувствительности коэффициента ослабления света к точности изготовления структуры.

В качестве альтернативы широко применяемому для модуляции света электрооптическому эффекту, в последнее время предлагаются различные схемы планарных амплитудных электрооптических модуляторов, работающих на эффекте возбуждения плазмонных мод на границе слоев металл/диэлектрик. Основой таких модуляторов обычно является плазмонный волновод, представляющий собой слой металла с поперечным размером много меньшим длины волны излучения, на поверхности которого возбуждаются поверхностные волны - плазмон-поляритоны. Основным преимуществом модуляторов с плазмонным волноводом являются его сверхкомпактные размеры, что обусловлено высокой степенью локализации плазмонной моды в пространстве (нанометровый диапазон). В результате такой локализации значительно увеличивается эффективность работы активного волноводного слоя, в качестве которого выступает обычно прозрачный проводящий оксид (например, оксид индия-олова). Модуляция интенсивности световой волны достигается за счет изменения концентрации носителей заряда в волноводном слое при приложении управляющего напряжения, в результате чего возрастает коэффициент поглощения света на резонансной длине волны. Отличительной особенностью работы таких модуляторов является высокое значение вносимого внешним электрическим полем изменения локального показателя преломления для волноводного слоя прозрачного проводящего оксида, превышающее единицу, тогда как в случае электрооптического эффекта изменение показателя преломления значительно ниже и составляет ~ 10^-2.

Из уровня техники известно решение по патенту US 9864109 B2 (опубликовано 09.01.2018, кл. G02F1/035, G02B5/00, G02F1/01, G02B6/122, G02F1/025), в котором описывается электрооптический модулятор света с плазмонным волноводом и активным слоем из прозрачного проводящего оксида, работающий на эффекте поля, т.е. за счет управления концентрацией носителей заряда в активном слое при приложении управляющего напряжения. Предложенная схема модулятора включает волновод из прозрачного проводящего оксида, отделенный от металлического электрода (золото) слоем диэлектрика (оксид алюминия). Таким образом, структура такого модулятора аналогична структуре МОП-транзисторов, принцип действия которых также основан на эффекте поля. Амплитудная модуляция света, распространяющегося по волноводу из прозрачного проводящего оксида, реализуется за счет изменения концентрации носителей заряда под действием внешнего электрического поля, что приводит к соответствующему изменению поглощения света этими носителями, достигающего своего максимума на длине волны плазмонного резонанса.

Недостатком указанного решения является слабо совместимые требования по поляризации электромагнитной волны для эффективного распространения по волноводу и возбуждения плазмона. Кроме того, несмотря на высокое заявленное значение экстинкции оптического сигнала (-30 дБ) при приложении постоянного напряжения (около 2 В), в указанном решении отсутствуют данные измерения характеристик модулятора (внесенные потери, глубина модуляции, полоса пропускания) в случае приложения высокочастотного управляющего напряжения.

Известна схема электрооптического переключателя (патент US 9529158 B2, опубликовано 27.12.2016, кл. G02F1/035, G02B6/35, G02B6/125, G02F1/00), основанного на двух параллельных кремниевых волноводах и третьем (управляющем) центральном волноводе, расположенном между кремниевыми волноводами. Управляющий центральный волновод состоит из нескольких слоев, образуя в поперечном направлении конденсатор «металл-оксид-полупроводник», а также содержит активный слой из прозрачного проводящего оксида (оксид индия-олова), концентрация носителей заряда в котором может изменяться под действием приложенного напряжения. Управление светом, распространяющимся в отсутствии приложенного напряжения из первого кремниевого волновода через центральный волновод ко второму (т.н. связанная мода), осуществляется за счет подачи напряжения на конденсатор «металл-оксид-полупроводник», расположенный на центральном волноводе. В результате этого увеличивается поглощение в слое прозрачного проводящего оксида, что препятствует образованию связанной оптической моды и ограничивает направление распространения света только в пределах первого кремниевого волновода. В указанном решении, однако, отсутствуют экспериментальные данные измерения характеристик переключателя (скорость переключения или полоса пропускания) в случае приложения высокочастотного управляющего напряжения.

По технической сущности, близким к заявляемому изобретению является схема электрооптического модулятора в интегральном исполнении на основе прозрачного проводящего оксида и планарного кремниевого волновода (патент US 20200057350 A1, опубликовано 20.02.2020, кл. G02F1/225, G02F1/025). Предложенная схема включает интерферометр Маха-Цендера, составленный из кремниевых волноводов на подложке КНИ (кремний на изоляторе) с дифракционными решетками ввода/вывода, на одном из плеч которого нанесены последовательно тонкие слои прозрачного проводящего оксида (оксид индия-олова), диэлектрика (оксид алюминия) и металла (золото), образующие конденсатор. Модуляция света, распространяющегося по кремниевому волноводу, осуществляется за счет подачи напряжения на конденсатор, в результате чего изменяется профиль концентрации носителей заряда в слое прозрачного проводящего оксида вблизи границы с диэлектриком. Изменение профиля концентрации носителей заряда вызывает соответствующее изменение комплексного показателя преломления, достигающее своего максимума вблизи точки равенства нулю диэлектрической проницаемости вещества слоя. Выбор типа модуляции (фазовая или амплитудная) осуществляется путем изготовления слоя прозрачного проводящего оксида с заранее заданной концентрацией носителей заряда. При этом более низкие концентрации (ниже 6-7х10²⁰ см^-3) соответствуют режиму фазовой модуляции, т.к. изменение действительной части показателя преломления (отвечающей изменению фазы) при приложении внешнего поля превышает соответствующее изменение мнимой части показателя преломления (отвечающей за поглощение света). Наоборот, при более высоких концентрациях носителей заряда (свыше 6-7х10²⁰ см^-3) для слоя прозрачного проводящего оксида, модулятор будет работать в режиме амплитудной модуляции в силу преобладания вносимых за счет приложенного внешнего поля потерь над изменением действительной части показателя преломления. Преимуществом такого подхода является крайне малая протяженность активной зоны модулятора (1-3 мкм), что объясняется высокой степенью усиления электромагнитного поля за счет его локализации в тонком (10 нм) слое прозрачного проводящего оксида, что обуславливает низкие значения электрической емкости конденсатора и, соответственно, высокую, теоретически достижимую, величину частоты модуляции (десятки ГГц).

Недостатком указанного решения является плохо совместимые требования по поляризации электромагнитной волны для эффективного распространения по волноводу и возбуждения плазмона. К другим недостаткам данного подхода можно отнести предложенную схему с использованием интерферометра Маха-Цендера, усложняющего конструкцию модулятора, а также требующего дополнительной компенсации потерь в плече модулятора, не содержащем управляющий конденсатор.

По технической сущности, наиболее близким к заявляемому изобретению является схема электрооптического модулятора в интегральном исполнении на основе прозрачного проводящего оксида и планарного кремниевого волновода (I.A. Pshenichnyuk, G.I. Nazarikov, S.S. Kosolobov, A.I. Maimistov, V.P. Drachev, Phys. Rev. B 100 (19), 195434 (2019)). Модуляция света, распространяющегося по кремниевому волноводу, осуществляется за счет подачи напряжения на гибридный волновод, образованный кремниевым волноводом - слоем диэлектрика - слоем проводящего оксида - золотым электродом, имеющим два выступа, в результате чего изменяется профиль концентрации носителей заряда в слое прозрачного проводящего оксида вблизи границы с диэлектриком. Изменение профиля концентрации носителей заряда вызывает возбуждение плазмона и вывод световой энергии из волновода, достигающие своего максимума вблизи точки равенства нулю диэлектрической проницаемости вещества слоя.

Недостатком решения является конструкция гибридного волновода. В частности, использование кремниевого волновода в качестве нижнего электрода и последовательность слоев в вертикальной структуре ограничивает частотный диапазон модуляции. Кроме того, в статье отсутствуют данные измерения характеристик модулятора (внесенные потери, глубина модуляции, полоса пропускания) в случае приложения высокочастотного управляющего напряжения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное решение, является создание эффективного, компактного, планарного электрооптического модулятора света в диапазоне длин волн около 1.5 мкм, оптимизированного на модуляцию света с ТЕ поляризацией и в широком частотном диапазоне, с возможностью ввода/вывода излучения через дифракционные решетки.

Технический результат заключается в увеличении частотной полосы модуляции по сравнению с существующими аналогами. Дополнительный технический результат заключается в возможности управления интенсивностью проходящего через модулятор света с ТЕ поляризацией.

Заявленный результат достигается за счет работы планарного электрооптического модулятора света, который содержит:

одномодовый кремниевый волновод (1), на поверхность которого нанесен тонкий слой прозрачного проводящего оксида (2) по всей длине,

слой диэлектрика (3), нанесенный на по меньшей мере часть поверхности слоя прозрачного проводящего оксида и простирающийся по всей длине волновода (1), причем слой диэлектрика имеет выступ, который расположен симметрично, относительно продольной оси слоя диэлектрика (3),

верхний электрод (5) и нижний электрод (6), выполненные из металла и разделенные изолятором,

причем верхний электрод, нижний электрод и изолятор простираются по всей длине волновода (1),

при этом нижний электрод (6) выполнен с возможностью контакта с по меньшей мере частью поверхности слоя прозрачного проводящего оксида (2) и смещен от оптической оси волновода, а верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида.

Заявленный результат достигается за счет работы планарного электрооптического модулятора света, который содержит:

уширенный многомодовый кремниевый волновод, на поверхность которого нанесен тонкий слой прозрачного проводящего оксида по всей длине,

слой диэлектрика, нанесенный на меньшей мере часть поверхности слоя проводящего оксида и простирающийся по всей длине волновода, причем слой диэлектрика имеет выступ, который расположен симметрично, относительно продольной оси слоя диэлектрика,

верхний электрод и нижний электрод, выполненные из металла и разделенные изолятором,

причем верхний электрод, нижний электрод и изолятор простираются по всей длине волновода,

верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида,

при этом нижний электрод выполнен с возможностью контакта с по меньшей мере частью поверхности слоя проводящего оксида,

а верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида.

В частном варианте реализации, по первому и второму варианту планарного электрооптического модулятора света, выступ слоя диэлектрика выполнен с прямоугольным или трапециевидным сечением.

В другом частном варианте реализации, по первому и второму варианту планарного электрооптического модулятора света, материал диэлектрика может быть выбран из оксида гафния, либо из оксида кремния, либо из оксида алюминия.

Заявленный результат также достигается за счет работы способ управления интенсивностью электромагнитного поля, создаваемого модулятором по первому или по второму варианту при прохождении через него света, характеризующийся тем, что к верхнему и нижнему электроду прикладывают управляющее напряжение и изменяют его.

Заявленный результат также достигается за счет работы способ управления пространственным распределением электромагнитного поля, создаваемого модулятором, при прохождении через него света, характеризующийся тем, что формируется специальная электромагнитная мода уширенного волоновода с фокусом посредине активной области.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

На Фиг. 1 показано схематическое изображение модулятора, вид сверху. Цифрами обозначено: 1 - планарный волновод, 2 - тонкий слой прозрачного проводящего оксида, 3 - слой диэлектрика, 4 - выступ из диэлектрика, 5 - верхний электрод, 6 - нижний электрод, 7 - слой изолятора, 8 - дифракционная решетка, 9 - тэйпер, 10 - платформа.

На Фиг. 2 показано схематическое изображение модулятора, вид сбоку. Цифрами обозначено: 1 - планарный волновод, 2 - тонкий слой прозрачного проводящего оксида, 3 - слой диэлектрика, 4 - выступ из диэлектрика, 5 - верхний электрод, 6 - нижний электрод, 7 - слой изолятора.

На Фиг. 3 показано пространственное распределение нормированной напряженности электрического поля при прохождении света через модулятор в состоянии максимального пропускания (on-state) в отсутствие приложенного напряжения.

На Фиг. 4 показано пространственное распределение нормированной напряженности электрического поля при прохождении света через модулятор в состоянии минимального пропускания (off-state) при приложении напряжения.

На Фиг. 5 показано схематическое изображение модулятора по первому варианту.

На Фиг. 6 показано схематическое изображение модулятора по второму варианту с укороченными электродами длиной 1 мкм (а) и результат расчета распределения электромагнитного поля в модуляторе (б).

На Фиг. 7 показано схематическое изображение модулятора по второму варианту с электродами длиной 10 мкм (а) для сравнения с Фиг. 6, увеличенное изображение области модулятора со слоем нижнего прозрачного проводящего оксида и нижними электродами (б), и результат расчета распределения электромагнитного поля в модуляторе (в).

На Фиг. 8 показана зависимость нормированного коэффициента экстинкции модулятора на длине волны 1550 нм. от величины приложенного постоянного напряжения.

На Фиг. 9 представлена частотная зависимость отклика модулятора (полоса пропускания) при приложении переменного управляющего напряжения для двух образцов электрооптического модулятора по второму варианту.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

На фиг. 1, 2 проиллюстрирован первый вариант планарного электрооптического модулятора света, на полевом эффекте возбуждения угловых плазмонов в гибридном плазмонном волноводе, состоящего из кремниевого волновода (1), на поверхность которого нанесен последовательно тонкий слой прозрачного проводящего оксида (2), на поверхности которого имеется нижний электрод, смещенный от оси распространения излучения,

слоя диэлектрика (3),

диэлектрического выступа с прямоугольным или трапециевидным сечением (4),

верхнего электрода (5) и нижнего электрода (6) разделенных изолятором (7), причем верхний электрод (5), окружает диэлектрический выступ, при этом модуляция амплитуды, проходящей через волновод световой волны осуществляется за счет приложения управляющего электрического поля между верхним электродом и нижним электродом, обеспечивающим контакт со слоем прозрачного проводящего оксида.

Управление интенсивностью проходящего через модулятор света с ТЕ поляризацией может осуществляться в диапазоне рабочих оптических длин волн 1521 - 1630 нм. с частотой модуляции (по уровню -3 дБ) не менее 19,5 ГГц при низких значениях рабочего напряжения (< 10 В).

Отличительной особенностью изобретения является добавление на поверхности слоя прозрачного проводящего оксида нижнего электрода, смещенного от оптической оси кремниевого волновода; добавление диэлектрического выступа с прямоугольным или трапециевидным сечением, и добавление верхнего электрода, окружающего диэлектрический выступ.

За счет данной особенности происходит:

(а) преобразование волноводной моды с ТЕ поляризацией в плазмонную и обратно, а именно, приложенное к электродам напряжение меняет диэлектрические константы материалов на границе, изменение соотношения диэлектрических констант сопровождается возбуждением так называемых угловых плазмонов на границе слоев верхнего металлического электрода, слоя диэлектрика и слоя прозрачного проводящего оксида;

(б) добавление нижнего электрода в сочетании с добавлением верхнего электрода, окружающего диэлектрический выступ прямоугольного или трапециевидного сечения, приводит к усилению локального поля, а значит к уменьшению длины активной области и к уменьшению емкости активной области модулятора и, как следствие, достигается увеличение частотной полосы модуляции.

Эффективная модуляция света, доставленного и выведенного, например, с использованием диффракционных решеток и тэйперов (переходных областей согласующих широкую и узкую части волновода), а затем, в отсутствие приложенного управляющего электрического поля, локализованного в гибридном волноводе, состоящем из кремниевого волновода и узкого слоя на границе контакта прозрачного проводящего оксида- диэлектрика-металла, происходит благодаря увеличению концентрации носителей заряда в слое прозрачного проводящего оксида при приложении управляющего электрического поля, что вызывает существенное увеличение коэффициента поглощения света вследствие резонансного роста интенсивности электромагнитного поля при стремлении действительной части диэлектрической проницаемости материала прозрачного проводящего оксида к нулю (epsilon-near-zero ENZ эффект).

Примеры результатов численных расчетов, подтверждающих эффективность управления амплитудой электромагнитного поля в электрооптическом модуляторе по первому и второму вариантам представлены на фиг. 3, 4. Для расчета распределения поля и оценки пропускания уравнения электродинамики сплошных сред Максвелла

решались в трехмерном пространстве. Векторы и здесь обозначают распределение электрического и магнитного полей в пространстве, - частоту изменения поля, - диэлектрическую проницаемость, которая также, в свою очередь, является функцией координаты и задает геометрию модели. Дифференциальные уравнения в частотном пространстве решались численно при помощи итеративного алгоритма с использованием конечно-разностной схемы дискретизации FDFD (finite difference frequency domain). При выполнении расчета задействовался высокопроизводительный компьютерный кластер. На основе рассчитанного распределения поля вычислялся вектор пойнтинга на входе и выходе устройства. Отношение данных величин позволяет оценить коэффициент пропускания.

На фиг. 3 показано рассчитанное распределение поля при нулевом приложенном к электродам напряжении. При приложении напряжения, по первому или второму вариантам планарного электрооптического модулятора, -8,5 В между верхним и нижним электродами интенсивность электромагнитного поля на выходе из области модуляции уменьшается на 6 дБ. Распределение поля в случае приложенного напряжения показано на фиг. 4.

На фиг. 5 представлено схематическое изображение модулятора по первому варианту. Электрооптический модулятор содержит одномодовый планарный волновод (5.1) и примыкающую к одномодовому волноводу платформу (5.10) изготовленную из того же материала, что и планарный одномодовый волновод. Платформа (5.10) используется для размещения на ней слоя прозрачного проводящего оксида с нижним электродом, смещенным от оптической оси кремниевого волновода. Проведенные численные расчеты показывают, что оптическое пропускание конструкции модулятора по первому варианту без приложенного напряжения составляет T=0,05. Входными данными для численного алгоритма FDFD (https://en.wikipedia.org/wiki/Finite-difference_frequency-domain_method), необходимыми для выполнения расчета, являются частота изменения поля и геометрия модели (Фиг.5), входящая в уравнения Максвелла через распределение диэлектрической проницаемости . Для возбуждения волноводной моды на входе модели задается соответствующее граничное условие: значение вектора напряженности электрического поля фиксируется на участке границы области вычисления, совпадающим с входным волноводом. Распределение величины вектора в данной области задается в соответствии с известным распределением напряженности в прямоугольном сечении волновода заданной ширины и толщины. Распределение поля во всем пространстве (в том числе на выходе устройства, что позволяет оценить пропускание) определяется в процессе численного решения уравнений электродинамики.

Второй вариант конструкции электрооптического модулятора показан на фиг.6а, с указанием электродов (6.6.). На фиг. 6б представлены результаты расчета распределения электромагнитного поля в области модуляции. Во втором варианте конструкции планарного электрооптического модулятора света на полевом эффекте возбуждения угловых плазмонов в гибридном плазмонном волноводе, где гибридный плазмонный волновод состоит из уширенного многомодового кремниевого волновода с заданными размерами ширины и длины, вместо одномодового волновода с платформой по первому варианту, на поверхность которого нанесены последовательно тонкий слой прозрачного проводящего оксида, на поверхности которого имеется нижний электрод с заданной длиной и положением, слоя диэлектрика, диэлектрического выступ с прямоугольным или трапециевидным сечением, и верхнего электрода, нижнего электрода разделенных изолятором, причем верхний электрод окружает диэлектрический выступ, при этом модуляция амплитуды проходящей через волновод световой волны осуществляется за счет приложения управляющего электрического поля между верхним слоем металла и нижним электродом обеспечивающим контакт со слоем проводящего оксида.

Отличительной особенностью изобретения по второму варианту является, то, что многомодовый волновод имеет уширенную активную область, по сравнению с одномодовым волноводом с платформой по первому варианту, ширина и длина активной области таковы, что при распространении излучения формируется специальная электромагнитная мода уширенного волновода посредством дифракционного расхождения пучка света. Специальной модой считается та мода, которая возбуждается только с заданными шириной и длиной области уширения, например, в примере на фиг.6б специальная мода формируется при длине и ширине активной области 10 мкм и 1.94 мкм соответственно. При ширине активной области порядка 5 мкм, необходимая длина области превышает 80 мкм, что непрактично в контексте разработки компактного электрооптического модулятора и определяет границу диапазона разумных значений соответствующих параметров.

Специальная мода характеризуется распределением поля с фокусом посредине активной области (область концентрации излучения в центральной части уширенной активной области на фиг.6б) и тем, что оптическое изображение входной апертуры волновода переносится на выходную апертуру; указанные характеристики моды достигаются геометрией (заданными шириной и длиной) уширенного волновода.

Характеристики моды позволяют размещать на поверхности слоя прозрачного проводящего оксида нижний электрод с оптимальными размерами и положением. Размер должен быть как можно меньше для уменьшения оптических потерь и достаточно большим для обеспечения электрического контакта. Положение должно быть, как можно дальше от оптической оси фокуса и для уменьшения оптических потерь, но и не слишком далеко для минимизации электрической емкости между электродами. В примере на фиг.6а длина и ширина электродов составляют 1 мкм и 0.78 мкм соответственно. Они расположены в центральной части активной области таким образом, что расстояние между ними составляет 0.94 мкм. В конструкции модулятора по первому варианту характерная ширина электродов составляет порядка 5 мкм (и больше), они удалены от центрального электрода на расстояние порядка 1 мкм.

Вид (пространственное распределение) специальной электромагнитной моды позволяет оптимизировать размер и расположение нижнего электрода, за счет того, что электрод устанавливается таким образом, чтобы минимально взаимодействовать со специальной модой, т.е. электрод устанавливается, по возможности, там, где отсутствует специальная мода. Согласно примеру, электрод устанавливается в центральной части уширенной активной области, ближе к краям (показано прямоугольниками на фиг.6б) с размером, согласованным с размером области фокусировки специальной моды, в этом случае размер электрода значительно меньше чем размер активной области, что существенно уменьшает потери.

За счет данной особенности специальной моды и оптимальных размера и положения электрод находится на удалении от края электромагнитной моды, что также дает уменьшение нежелательного влияния нижнего электрода на потери и процесс модуляции.

Численные расчеты, проиллюстрированные на фиг.6 (б) показывают, что потери значительно уменьшены для размера электрода, согласованного с фокусом (1 мкм при длине активной области примерно 10 мкм) и оптическое пропускание Т=0,88 много больше пропускания с размером электрода 10 мкм или без уширения активной области (Т=0,14). Как описано выше, распределение поля в пространстве (позволяющее оценить пропускание) определяется геометрией модели (Фиг.6а) и является результатом численного решения уравнений Максвелла.

Для иллюстрации эффекта от применения специальной моды уширенного волновода и оптимальных размера и положения электрод на фиг.7 показано схематическое изображение модулятора по второму варианту с электродами длиной 10 мкм, расположенными по всей длине области модуляции (а). На увеличенном изображении модулятора (фиг. 7б) показан слой прозрачного проводящего оксида и нижние электроды. Результаты расчета распределения электромагнитного поля при прохождении света в модуляторе показывают, что в такой конструкции модулятора с длинными электродами оптическое пропускание составляет Т=0.14 (в), что существенно меньше оптического пропускания, представленного на фиг.6.б Таким образом, использование коротких контактов электродов имеет преимущество перед использованием длинных контактов, так как короткие контакты электродов увеличивают оптическое пропускание.

Структура активной области модулятора, показанная на фиг.6 и описанная выше, поддерживает гибридную электромагнитную моду кремниевого волновода и угловых плазмонов, возбуждаемых на границе слоев металла и прозрачного проводящего оксида (например, оксида индия-олова). При прохождении излучения из кремниевого волновода в активную область, волноводная мода излучения, локализованная в кремниевом волноводе, преобразуется в гибридную моду, локализованную в пределах активной области модулятора преимущественно в слое ITO, как показано на фиг. 4.

Подобная локализация позволяет эффективно управлять амплитудой электромагнитного поля при условии приложения поперечного управляющего напряжения к активной области модулятора.

Зависимость экстинкции излучения при прохождении активной области от напряжения показана фиг.8. В результате приложения управляющего напряжения в слое оксида индия-олова формируется так называемый аккумулирующий слой очень малой толщины (~ 1 нм), в котором концентрация электронов возрастает и достигает критических значений, при которых выполняется условие обращения в ноль действительной части диэлектрической проницаемости. Критическое значение концентрации электронов для ITO составляет примерно 6,5х10²⁰ см^-3 (Phys. Rev. B 100 (19), 195434 (2019)). В данном аккумулирующем слое, за счет поглощения свободными носителями, возрастают оптические потери, что приводит к уменьшению интенсивности проходящей световой волны, локализованной в слое оксида индия-олова, как показано на фиг. 4.

Предельная достижимая частота модуляции амплитуды световой волны, оцениваемая из параметров емкости и сопротивления активной области модулятора, составляет порядка 1 ТГц.

Пример осуществления изобретения.

При реализации электрооптического модулятора по первому варианту использовались подложки кремний на изоляторе с толщиной слоя кристаллического кремния 220 нм, из которого методом электронной литографии формировался кремниевый волновод и платформа. В качестве тонкого слоя проводящего оксида использовался оксид индия-олова толщиной 10 нм. В качестве слоя диэлектрика использовался слой оксида гафния толщиной 10 нм с выступом высотой 10 нм. Толщина слоя металлических электродов (верхнего и нижнего), изготовленных из золота, составляла 150 нм. В качестве изолятора использовался диоксид кремния.

При реализации электрооптического модулятора по второму варианту использовались подложки кремний на изоляторе с толщиной слоя кристаллического кремния 220 нм, из которого методом электронной литографии формировался участок активной области, содержащий уширенный, по сравнению с одномодовым волноводом, многомодовый кремниевый волновод. В качестве тонкого слоя проводящего оксида использовался оксид индия-олова толщиной 10 нм. В качестве слоя диэлектрика использовался слой оксида кремния толщиной 20 нм с выступом высотой 10 нм. Толщина слоя золотых электродов (верхнего и нижнего) составляла 150 нм. В качестве изолятора использовался диоксид кремния.

На фиг. 8 представлена экспериментальная зависимость нормированного коэффициента экстинкции модулятора по первому варианту на длине волны 1550 нм от величины приложенного постоянного напряжения. Данный пример демонстрирует эффективность управления амплитудой электромагнитной волны при приложении напряжения к электродам в защищаемой структуре активной области модулятора на основе гибридного кремниевого-плазмонного волновода. В эксперименте и в численных расчетах измерялось пропускание модулятора, то есть отношение интенсивности электромагнитного поля на выходе к интенсивности на входе. Пропускание измерялось при разных напряжениях от -4 до 3 В. Затем, по известным формулам, пропускание конвертировалось в экстинкцию. Максимальные оптические потери составили 2,1 дБ при приложении управляющего напряжения U = - 4В.

На фиг. 9 представлен частотная зависимость отклика модулятора (полоса пропускания) по первому варианту, измеренный для двух различных электрооптических модуляторов при приложении переменного управляющего напряжения. Данные приведенные на фиг.9 подтверждают преимущества данного решения, а именно, добавление нижнего электрода в сочетании с добавлением верхнего электрода, окружающего диэлектрический выступ прямоугольного или трапециевидного сечения, приводит к усилению локального поля, а значит к уменьшению длины активной области и к уменьшению емкости активной области модулятора и, как следствие, достигается увеличение частотной полосы модуляции. Полоса пропускания модулятора по уровню «- 3 дБ» составляет 19,6 ГГц. Данная полоса превышает экспериментально продемонстрированные в литературе для аналогичных решений (например, Amin, Rubab, et al. "Heterogeneously integrated ITO plasmonic Mach- Zehnder interferometric modulator on SOI." Scientific reports 11.1 (2021): 1-12.).

Планарный электрооптический модулятор света содержит одномодовый или уширенный многомодовый кремниевый волновод, на поверхность которого нанесен тонкий слой прозрачного проводящего оксида, на поверхность которого нанесен слой диэлектрика, имеющий выступ, расположенный симметрично относительно продольной оси слоя диэлектрика. Верхний и нижний электроды выполнены из металла и разделены изолятором. Нижний электрод контактирует с поверхностью слоя прозрачного проводящего оксида и смещен от оптической оси волновода, а верхний электрод окружает диэлектрический выступ и не соприкасается с поверхностью слоя проводящего оксида. Изменение характеристик световой волны, прошедшей через гибридный плазмонный волновод, достигается за счет взаимодействия плазмонной и волноводной мод под действием приложенного управляющего напряжения. Технический результат - увеличение частотной полосы модуляции и управление интенсивностью света с ТЕ поляризацией. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Планарный электрооптический модулятор света, содержащий:

одномодовый кремниевый волновод (1), на поверхность которого нанесен тонкий слой прозрачного проводящего оксида (2) по всей длине,

слой диэлектрика (3), нанесенный на по меньшей мере часть поверхности слоя прозрачного проводящего оксида и простирающийся по всей длине волновода (1), причем слой диэлектрика имеет выступ, который расположен симметрично относительно продольной оси слоя диэлектрика (3),

верхний электрод (5) и нижний электрод (6), выполненные из металла и разделенные изолятором,

причем верхний электрод, нижний электрод и изолятор простираются по всей длине волновода (1),

при этом нижний электрод (6) выполнен с возможностью контакта с по меньшей мере частью поверхности слоя прозрачного проводящего оксида (2) и смещен от оптической оси волновода, а верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида.

2. Планарный электрооптический модулятор света, содержащий:

уширенный многомодовый кремниевый волновод, на поверхность которого нанесен тонкий слой прозрачного проводящего оксида по всей длине,

слой диэлектрика, нанесенный на меньшей мере часть поверхности слоя проводящего оксида и простирающийся по всей длине волновода, причем слой диэлектрика имеет выступ, который расположен симметрично относительно продольной оси слоя диэлектрика,

верхний электрод и нижний электрод, выполненные из металла и разделенные изолятором,

причем верхний электрод, нижний электрод и изолятор простираются по всей длине волновода,

верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида,

при этом нижний электрод выполнен с возможностью контакта с по меньшей мере частью поверхности слоя проводящего оксида,

а верхний электрод окружает диэлектрический выступ и выполнен таким образом, чтобы не соприкасаться с поверхностью слоя проводящего оксида.

3. Планарный электрооптический модулятор света по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выступ слоя диэлектрика выполнен с прямоугольным или трапециевидным сечением.

4. Планарный электрооптический модулятор света по п. 1 или 2, отличающийся тем, что материал диэлектрика может быть выбран из оксида гафния, либо из оксида кремния, либо из оксида алюминия.

5. Способ управления интенсивностью электромагнитного поля, создаваемого модулятором по п. 1 или 2 при прохождении через него света, характеризующийся тем, что к верхнему и нижнему электродам прикладывают управляющее напряжение и изменяют его.