CC BY
0Б01 10.24412/с1-37220-2023-1-68-74
МНОГОНАНОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ МЕЖЧИПОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ: ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
О.В. Багдасарян1, Т.М. Князян1, Т.Т. Оганесян1, Г.Р. Мардоян2,
М. Марциниак3
1 Национальный политехнический университет Армении, Ереван 2Инженерный городок, Ереван, Армения
3Национальный институт телекоммуникаций, Варшава, Польша hovik@seua.am, ktamara@seua.am
АННОТАЦИЯ
В настоящей работе численно смоделирован многонанослойный мик-рорезонаторный электрооптический модулятор (ЭОМ) Фабри-Перо пропускательного типа для межчиповых оптических межсоединений с помощью метода единого выражения. Проанализированы пропус-кательные свойства ЭОМ-а, состоящего из электрооптического слоя (ЭОС) из LiNЪO3, покрытого тонкими проводящими нанослоями из оксид индия-олова (ОИО) и заключенного между симметричными распределенными брэгговскими отражателями (РБО) из Si/SiO2. Два полупрозрачных нанослоя ОИО служат электродами для подачи электрического сигнала на электрооптический материал. ЭОМ обеспечивает необходимое большое значение коэффициента прохождения и высокую резкость пиков. В качестве внешнего источника света рассматривается лазерный диод с длиной волны 1,55 мкм. Получен существенный сдвиг пика максимального прохождения резонатора при изменении диэлектрической проницаемости электрооптического материала в пределах 10-4 (при толщине около 1 мм). Полученный при этом сдвиг максимума прохождения будет достаточен для амплитудной манипуляции и использования ЭОМ в коротких межчиповых оптических линиях связи.
Ключевые слова: многонанослойный электрооптический модулятор пропускательного типа, межчиповые оптические межсоединения, электромагнитное моделирование, численное моделирование, метод единого выражения.
Введение
Фотонные технологии нацелены на решение задач современных и будущих оптических межсоединений на короткие расстояния. Оптические линии связи, работающие на коротких расстояниях, имеют значительные преимущества перед электрическими аналогами для межчиповых соединений с высокими скоростями передачи данных и отсутствием перекрестных помех [1].
Преобразование высокочастотных электрических сигналов в световые возможно, управляя световым лучом с помощью внешнего модулятора, распро-странненым типом которого являются электрооптические модуляторы
Существуют три основных фактора, определяющих работу оптического модулятора: материал, структура модулятора и используемый электрооптический эффект [2]. Электрооптический эффект представляет собой изменение оптических свойств материала в ответ на электрическое поле приложенного сигнала. ЭОМ-ы имеют в основе нелинейные кристаллы, такие как: ниобат лития (ЫКЬОэ), танталат лития ^ТаОз), титанилфосфат калия (КТР), титанат бария (ВаТЮз) и другие, либо нелинейные полимеры, показатель преломления которых зависит от силы модулирующего электрического поля [2].
Одним из основных ЭОМ-ов является микрорезонаторный модулятор типа Фабри-Перо [2], в котором показатель преломления нелинейного материала, расположенного в его структуре, модулируется приложенным микроволновым электрическим полем, что приводит к изменению показателя преломления всей резонаторной структуры и спектральному сдвигу резонансного пика и, следовательно изменению интенсивности прошедшего света [1, 2].
В настоящей работе проведено электромагнитное моделирование оптических характеристик многонанослойного ЭОМ-а Фабри-Перо пропускатель-ного типа в масштабе длины волны методом единого выражения (МЕВ) [3-5].
Метод электромагнитного моделирования
МЕВ позволяет получить стационарное решение любых многограничных задач в масштабе длины волны и является альтернативным методом для анализа взаимодействия электромагнитной волны с многослойными и модулированными структурами, состоящими из диэлектрических, полупроводниковых или металлических слоев [3-5]. В МЕВ общее решение уравнения Гельмголь-ца представляется в виде единого выражения:
в отличие от общепринятого представления в виде суммы двух встречных волн. Величины и(г) и 5(г) являются реальными величинами, описывающими распределения амплитуды и фазы результирующего электрического поля в среде. Эта форма представления решения описывает все возможные поведения амплитуды электрического поля в среде такие как: распространяющиеся, стоячие или затухающие волны при отрицательной диэлектрической
(ЭОМ).
(1)
проницаемости. Потери, усиление или нелинейность типа Керра легко учитываются в вычислительной модели. МЕВ позволяет наблюдать локализацию интенсивности оптического поля и распределение потока энергии внутри оптических структур, что важно для оптимизации пропускательных или отражательных свойств любых микрорезонаторных структур. Подробное описание решения многограничных задач с помощью МЕВ приведено в [3, 5].
Результаты электромагнитного моделирования
Рассматривается модель ЭОМ-а Фабри-Перо пропускательного типа, состоящего из слоя нелинейного электрооптического кристалла (ЭОК), являющегося зазором между двумя многослойными зеркалами РБО. РБО представляют собой повторяющиеся двухслойки различных оптически прозрачных материалов четвертьволновой толщины, имеющие наибольшую отражательную способность на центральной длине волны в середине полосы отражения [5]. Ширина полосы отражения зависит от контраста диэлектрических проницае-мостей и количества двухслоек.
ЭОК покрыт с двух сторон тонкими проводящими нанослоями (электродами) для подачи электрического сигнала в гигагерцовом диапазоне. Схематическое представление предлагаемой микрорезонаторной структуры приведено на Рис. 1.
Численное моделирование проведено для структуры Фабри-Перо с зеркалами РБО 1 и РБО2, состоящими из чередующихся четвертьволновых двухслоек Si/SiO2 с диэлектрическими проницаемостями 12.11 и езю = 2.25.
Подложка
БЮ2
^РВОГ^ \ / РБО2
Металлические нанослои
Рис. 1 Электрооптический модулятор Фабри-Перо пропускательного типа при нормальном падении оптической волны слева.
а
Количество чередующихся двухслоек в РБО выбирается в процессе моделирования для их достаточно высокого коэффициента отражения с целью обеспечения узкого пика полного прохождения микрорезонатора. Желательно
иметь структуру РБО, обеспечивающую достаточно высокий коэффициент отражения при небольшом количестве двухслоек, и поэтому для моделирования были выбраны 3 пары двухслоек. Зеркала симметричны относительно зазора, слои, прилегающие к нему имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, а слои, прилегающие к подложке и на освещенной стороне структуры, имеют более низкую диэлектрическую проницаемость. Этот тип структуры обеспечивает наивысшее значение коэффициента прохождения, что важно для работы модулятора пропускательного типа.
В настоящем анализе в качестве ЭОК рассматривается кристалл LiNb0з с диэлектрической проницаемостью еэж = 4,89. Подложка выполнена из Si02 с диэлектрической проницаемостью впод = 2,35. В процессе моделирования определены оптимальные толщины проводящих нанослоев, электрооптического кристалла йЭОК и подложки , а также количество двухслоек в РБО для обеспечения наибольшего значения коэффициента прохождения и высокой резкости ЭОМ. В качестве проводящих нанослоев материал из ОИО выбран достаточно тонким для снижения потерь в микрорезонаторе по сравнению с потерями в нанослоях из серебра или золота. Выбран слой ОИО с комплексной диэлектрической проницаемостью в' = —1,66 и в" = 0,82 [6] и оптимальной толщиной £ож = 28,48 нм.
Численное моделирование проведено для центральной длины волны \ = 1,55 мкм, которая является рабочей длиной волны волоконно-оптических
сетей связи с малыми потерями. Модулятор работает следующим образом: приложение высокочастотного электрического сигнала на электроды изменяет диэлектрическую проницаемость ЭОК, что, в свою очередь, приводит к смещению максимальных пиков прохождения микрорезонатора. Как следствие, соответствующая битовая последовательность электрического сигнала приводит к «включению/выключению» интенсивности проходящего света.
Зависимость коэффициента прохождения структуры модулятора от толщины слоя ЭОК при фиксированной длине волны Л0 = 1,55 мкм представлена
на Рис. 2а. При данных параметрах максимальное прохождение Т представляет собой эквидистантные узкие пики с максимумом Т ~ 0,88. Величины пиков ниже единицы является прямым следствием наличия потерь в двух слоях ОИО.
Согласно принципу работы анализируемого модулятора, необходимо добиться смещения пика прохождения при изменении диэлектрической прони-
цаемости ЭОК. Как следует из численного анализа, смещение пика пропорционально увеличению толщины слоя ЭОК ¿Э(Ж и изменению его диэлектрической проницаемости.
Рис. 2 а) Зависимость коэффициент прохождения структуры модулятора от толщины ЭОК (зазора) в отсутствие приложенного напряжения. б) Смещение пика прохождения при изменении диэлектрической проницаемости
ЭОК: 1. £ЭОК = 4,89 , 2. £ЭОК = 4,8901.
С целью практической реализации модулятора толщина ^ выбрана
примерно равной 1 мм. Влияние изменения диэлектрической проницаемости ЭОК на сдвиг резонансного пика показано на Рис. 2б. Существенный сдвиг пика наблюдается при изменении диэлектрической проницаемости ЭОК в диапазоне 10-4. Такое изменение коэффициента прохождения структуры модулятора будет подходящим для эффективной амплитудной манипуляции и использования в межчиповых оптических линиях связи.
Заключение
Предложена и методом единого выражения численно исследована резо-наторная структура ЭОМ типа Фабри-Перо, состоящая из электрооптического слоя из LiNbOз, покрытого тонкими проводящими нанослоями из материала ОИО (служащими для приложения электрического сигнала), заключенного между зеркалами РБО из Si/SiO2. Необходимое смещение пика максимального прохождения резонатора имеет место при изменении диэлектрической проницаемости ЭОК в диапазоне 10-4 (толщиной йэок ~ 1 мм). Этот тип ЭОМ будет
полезен для эффективной амплитудной манипуляции и может быть использован для оптических межчиповых соединений на коротких расстояниях.
Увеличивая коэффициент отражения одного из зеркал РБО, можно получить модулятор отражательного типа.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке ^мотета по науке РА в рамках научного проекта № 21T-2J194.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sun Ch., et al. A Monolithically-Integrated Chip-to-Chip Optical Link in Bulk CMOS// IEEE Journ. Solid-State Circuits 50, No. 4, 2015. PP. 828-844.
2. Binh L.N. Optical Modulation: Advanced Techniques and Applications in Transmission Systems and Networks. CRC Press, 2018. P. 681.
3. BaghdasaryanH., Knyazyan T. Problem of plane EM wave self-action in multilayer structure: an exact solution. // Opt. Quant. Electron. 31, No. 9/10, 1999. PP. 1059-1072.
4. Baghdasaryan H., Knyazyan T. Modelling of strongly nonlinear sinusoidal Bragg gratings by the Method of Single Expression. // Opt. Quant. Electron. 32, No. 6/8, 2000. PP. 869-883.
5. Baghdasaryan H., Knyazyan T., Baghdasaryan T., Witzigmann B., Roemer F. Absorption loss influence on optical characteristics of multilayer distributed Bragg reflector: wavelength-scale analysis by the method of single expression // Opto-Electron. Rev. 18, No. 4, 2010. PP. 438-445.
6. Michelotti F., Dominici L., Descrovi E. et al. Thickness dependence of surface plasmon dispersion in transparent conducting oxide films at 1.55 ^m // Optics Letters 34, No. 6, 2009. PP. 839-841.
MULTI-NANOLAYER ELECTRO-OPTICAL MODULATOR FOR CHIP-TO-CHIP OPTICAL INTERCONNECTS: ELECTROMAGNETIC MODELLING
H. Baghdasaryan1, T. Knyazyan1, T. Hovhannisyan1, G. Mardoyan2, M. Marciniak3
1National Polytechnic University of Armenia, Yerevan 2Engineering City, Yerevan 3National Institute of Telecommunications, Warsaw, Poland hovik@seua.am, ktamara@seua.am
ABSTRACT
In the present work, a transmission-type multi-nanolayer microresonant Fabry-Perot electro-optical modulator (EOM) for inter-chip optical interconnects is numerically simulated using the method of single expression. The transmission properties of the EOM consisting of an electro-optical layer (EOL) of LiNbO3 coated with thin conducting nanolayers of Indiumtin oxide (ITO) and enclosed between symmetrical distributed Bragg reflectors (DBRs) made of Si/SiO2, are analysed. Two semitransparent nano-layers of ITO serve as electrodes for supplying an electrical signal to an electro-optical material. The EOM provides the required high transmission coefficient and a high finesse. A laser diode with a wavelength of 1.55 ^m is considered as an external light source. A significant shift of the maximal transmission peak of the resonator is obtained at the change of the permittivity of the electro-optical material in the range of 10-4 (at a thickness of about 1 mm). The shift of the transmission maximum obtained in this case
will be sufficient for on-off keying and the use of the EOM in chip-to-chip optical short communication links.
Keywords: transmission-type multi-nanolayer electro-optical modulator, chip-to-chip optical interconnects, electromagnetic modelling, numerical simulation, method of single expression.
