CC BY
34DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-177-178
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНО-
ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ РАДИОФОТОНИКИ
*
Царев А.В.
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, г. Новосибирск Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск *E-mail: tsarev@isp.nsc.ru
Оптические модуляторы являются основным интерфейсом для преобразования электрического сигнала с электронной части схемы в оптический сигнал. Они крайне востребованы в системах передачи и обработки данных в волоконно-оптических линиях связи между дата-центрами в современных компьютерных системах. Данная проблематика является сверх актуальной, поэтому не удивительно, что множество ведущих зарубежных компаний и исследовательских центров активно занимаются разработкой электрооптических модуляторов.
Поражает воображение разнообразие удачных технологических решений, которые успешно применяются для создания волноводных электрооптических модуляторов. В частности, среди множества технологических платформ, используемых для создания сверхширокополосных (СВЧ) электрооптических модуляторов, наибольшее развитие получили модуляторы на основе электрооптического эффекта на основе ниобата лития, электрооптических полимеров (включая гибридные полимер-полупроводниковые модуляторы), модуляторы на основе инжекции или обеднения свободных носителей заряда структурах на основе технологии кремний-на-изоляторе (КНИ), а также модуляторы на основе квантово-размерного эффекта Штарка в слоистых структурах с квантовыми ямами, выращенных послойной эпитаксией на подложках из фосфида индия (InP).
В докладе дается обзор работ автора по численному моделированию наиболее перспективных типов электрооптических модуляторов, использующих различные физические эффекты. Это модуляторы на электрооптических полимерах с возможностью снижения до 2.5 раз управляющего напряжения за счет применения замедляющих диэлектрических полосок [1], кремниевых модуляторов с вертикальным p-n переходом с низким управляющим напряжением [2], модуляторов на основе квантово-размерного эффекта Штарка в свехрешетках на основе двухслойных волноводов на основе фосфида индия с возможностью эффективного согласования излучения с оптическим волокном [3]. Основные выводы проиллюстрированы методами численного моделирования с использование оптического пакета от Rsoft
[4].
Исследован вклад различных факторов, влияющих на работу сверхвысокочастотного (СВЧ) электрооптического (ЭО) модулятора на основе гребенчатых полимерных волноводов (см. Риг.1а) [1], способных пропускать большие уровни оптической мощности (до 100 мВт). Показано, что для корректного расчета характеристик ЭО модулятора бегущей волны необходимо одновременно учитывать следующие факторы: неоднородность полинга ЭО полимера, частотную дисперсию диэлектрической проницаемости полимеров, конечную проводимость электродов, а также возможную туннельную связь между плечами интерферометра Маха-Цендера. C учетом всех перечисленных факторов выполнены численные расчеты и проведена оптимизация электрооптических модуляторов Маха-Цендера с делителями пучка двух типов - на основе многомодовой интерференции (MMI) и на связанных волноводах. Показано, что применение дополнительных изолирующих полосок (особенно из High-K материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, например, из MgO) позволяет значительно (до 2.8 раз) снизить управляющее напряжение и увеличить полосу частот (до 2.4 раз) по сравнению со случаем аналогичного электрооптического модулятора, но без таких полосок, т.е. вставки из MgO заменены на материал подслоя из UV15LV.
Выполнено численное исследование электрооптического модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера с делителями пучка MMI 1x2 и 2x2 в структуре с квантовыми ямами на сверхрешетке In0.52Al0.09Ga0.38As/In0.53Al0.3Ga0.i7As на подложке фосфида индия (см. Риг.1б) [3]. Данные структуры обеспечивают высокую эффективность электрооптического управления и формируют двойной гребенчатый волновод с уникальными оптическим свойствами. В частности, путем изменения ширины волновода можно изменять поперечный размер фундаментальной моды и, тем самым, обеспечить более простую и эффективную стыковку с оптическим волокном. Наличие квантово-размерного эффекта Штарка обеспечивает высокую эффективность управления. В частности, для квантовых ям шириной
15 нм можно реализовать электрооптический модулятор бегущей волны с управляющим напряжением 1 вольт на активной длине модулятора 100 мкм. Проведено описание оптических и СВЧ свойств электрооптического модулятора на полупроводниковых структурах InAlGaAs на подложках ЫР.
Выполнено численное моделирование электрооптического модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера в структуре кремний на изоляторе с обратными p-n переходами (см. Риг.1в) [2]. Для снижения оптических потерь, применяется адиабатический переход оптического излучения из кремневого гребенчатого волновода в планарное основание, на котором располагаются решеточные элементы ввода-вывода оптического излучения в одномодовое оптическое волокно. В дизайне интерферометра Маха-Цендера применяется комбинация делителей пучка на основе многомодовой интерференции (MMI) 1x2 и 2x2, выводящее модулятор в рабочую точку при нулевом сдвиге фаз плеч интерферометра. Управление модулятора осуществляется с помощью обратных p-n переходов в двухтактной схеме (Push-Pull), что обеспечивает низкое управляющее напряжение при компактных размерах модулятора. Например, для случая горизонтального p-n перехода оно составляет 1 вольт в полосе частот 12 ГГц на длине в 0.68 см.
Au Air
Cover
Htot Ih W , DH-80
hw Sep Ц-1 UV15LV
1 1 1 1 /
п .1 /
1 \Gap3~ GaP \ Silica
Au High-k dielectric Silicon
1 -
: MGW " InAIGaAs : д. \ A! ^-p-lnGaAs ^p-lnAIAs AI
L=- n-InAIAs * n-lnP
-3
-2
-1
О
х {um)
3.743
1.444
а)
б)
0.6^
*-И
в)
Рис. 1. Варианты электрооптических модуляторов, которыебыли численно промоделированы с использованием оптического пакета от Rsoft [4]. а) Электрооптический модулятор с полосками из изолирующего материала с высокой диэлектрической проницаемостью; б) Электрооптический модулятор с квантовыми ямами на сверхрешетке In052Ala09Ga0.38As/In0.53Ala3Ga0j7As на подложке фосфида индия;в) электрооптический модулятор в структуре кремний на изоляторе с обратными p-n переходом
Литература
1. Tsarev A. et al, Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 25, 31-37 (2017)
2. Царев А.В., Тазиев Р.М., Квантовая электроника, 49, 1036-1044 (2019)
3. Царев А.В., Тазиев Р.М., Квантовая электроника, 49, 266-271 (2019)
4. Rsoft by SYNOPSYS (https://optics.synopsys.com/rsoft/), single license (2018)
