Eén van de belangrijkste eigenschappen van een optische modulator is de modulatiesnelheid of bandbreedte, die minstens zo snel moet zijn als de beschikbare elektronica. Transistors met transitfrequenties ruim boven de 100 GHz zijn al gedemonstreerd in de 90 nm-siliciumtechnologie, en de snelheid zal verder toenemen naarmate de minimale featuregrootte wordt verkleind [1]. De bandbreedte van de huidige op silicium gebaseerde modulatoren is echter beperkt. Silicium bezit geen χ(2)-niet-lineariteit vanwege zijn centro-symmetrische kristallijne structuur. Het gebruik van gespannen silicium heeft al tot interessante resultaten geleid [2], maar de niet-lineariteiten maken praktische apparaten nog niet mogelijk. De modernste silicium-fotonische modulatoren vertrouwen daarom nog steeds op vrije-draaggolfdispersie in pn- of pin-overgangen [3–5]. Er is aangetoond dat voorwaarts voorgespannen juncties een spanningslengteproduct vertonen zo laag als VπL = 0,36 V mm, maar de modulatiesnelheid wordt beperkt door de dynamiek van minderheidsdraaggolven. Toch zijn datasnelheden van 10 Gbit/s gegenereerd met behulp van een pre-nadruk van het elektrische signaal [4]. Door in plaats daarvan gebruik te maken van omgekeerde voorgespannen juncties is de bandbreedte vergroot tot ongeveer 30 GHz [5,6], maar het spanningslengteproduct steeg naar VπL = 40 V mm. Helaas produceren dergelijke fasemodulatoren met plasma-effect ook ongewenste intensiteitsmodulatie [7], en reageren ze niet-lineair op de aangelegde spanning. Geavanceerde modulatieformaten zoals QAM vereisen echter een lineaire respons en pure fasemodulatie, waardoor de exploitatie van het elektro-optische effect (Pockels-effect [8]) bijzonder wenselijk is.
2. SOH-aanpak
Onlangs is de silicium-organische hybride (SOH)-benadering voorgesteld [9–12]. Een voorbeeld van een SOH-modulator wordt getoond in figuur 1 (a). Het bestaat uit een sleufgolfgeleider die het optische veld geleidt, en twee siliciumstrips die de optische golfgeleider elektrisch verbinden met de metalen elektroden. De elektroden bevinden zich buiten het optische modale veld om optische verliezen te voorkomen [13], figuur 1(b). Het apparaat is bedekt met een elektro-optisch organisch materiaal dat de sleuf gelijkmatig vult. De modulerende spanning wordt gedragen door de metalen elektrische golfgeleider en valt dankzij de geleidende siliciumstrips over de sleuf af. Het resulterende elektrische veld verandert vervolgens de brekingsindex in de sleuf door het ultrasnelle elektro-optische effect. Omdat de sleuf een breedte heeft in de orde van 100 nm, zijn enkele volts voldoende om zeer sterke modulerende velden op te wekken, die in de orde van grootte liggen van de diëlektrische sterkte van de meeste materialen. De structuur heeft een hoge modulatie-efficiëntie omdat zowel het modulerende als het optische veld geconcentreerd zijn in de sleuf, figuur 1(b) [14]. De eerste implementaties van SOH-modulatoren met sub-voltwerking [11] zijn al aangetoond, en sinusoïdale modulatie tot 40 GHz is aangetoond [15,16]. De uitdaging bij het bouwen van laagspannings-hogesnelheids-SOH-modulatoren is echter het creëren van een sterk geleidende verbindingsstrip. In een equivalent circuit kan de sleuf worden weergegeven door een condensator C en de geleidende strips door weerstanden R, figuur 1 (b). De bijbehorende RC-tijdconstante bepaalt de bandbreedte van het apparaat [10,14,17,18]. Om de weerstand R te verlagen is voorgesteld om de siliciumstrips te doteren [10,14]. Terwijl doping de geleidbaarheid van de siliciumstrips verhoogt (en dus de optische verliezen vergroot), betaalt men een extra verliesstraf omdat de elektronenmobiliteit wordt aangetast door verstrooiing van onzuiverheden [10,14,19]. Bovendien vertoonden de meest recente fabricagepogingen een onverwacht lage geleidbaarheid.
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. gevestigd in de Chinese “Silicon Valley” – Beijing Zhongguancun, is een hightech onderneming die zich toelegt op het bedienen van binnen- en buitenlandse onderzoeksinstellingen, onderzoeksinstituten, universiteiten en wetenschappelijk onderzoekspersoneel. Ons bedrijf houdt zich voornamelijk bezig met onafhankelijk onderzoek en ontwikkeling, ontwerp, productie en verkoop van opto-elektronische producten en biedt innovatieve oplossingen en professionele, gepersonaliseerde diensten voor wetenschappelijke onderzoekers en industriële ingenieurs. Na jaren van onafhankelijke innovatie heeft het een rijke en perfecte serie foto-elektrische producten gevormd, die op grote schaal worden gebruikt in gemeentelijke, militaire, transport-, elektriciteits-, financiële, onderwijs-, medische en andere industrieën.
Wij kijken uit naar de samenwerking met u!
Posttijd: 29 maart 2023