英语原文共 7 页
混合等离子体电光调制器
Zaki, Aya O; Kirah, Khaled; Swillam, Mohamed A
摘要
本文提出了一种高性能的CMOS兼容电光调制器（EOM），并对其进行了仿真和分析工作。EOM电光调制器是基于绝缘体平台上硅的非对称混合等离子体波导进行制造的。我们通过利用有限差分时域的仿真方法，得到了调制器的传输频谱。对于5mu;m短调制器，实现了0.25dB的插入损耗。在对波长为1.55mu;m的光波进行的调制情况下，优化消光比，最后可以达到30dB。由于没有部署谐振器，600nm的宽带操作是可行的。
关键词：插入损耗;消光比;对称模式;等离子体波导;累积层
1简介
电子和光子电路的集成设计时需要超紧凑的片上电光调制器。超紧凑的片上电光调制器它们在光通信的系统过程中中发挥着非常重要的作用，片上超紧凑的电光调制器负责将电子信号转换为拥有更高比特率的光子数据。因此，随着CMOS半导体技术的不断发展进步，显然高度CMOS互补金属氧化物兼容的紧凑型EOM电光调制器的需求增加迅速，需求量也越来越大。研究和设计紧凑型EOM电光调制器面临的主要挑战就是如何来实现更高的调制效率，降低信号插入产生损耗和减小器件占用的空间规模。然而，由于硅半导体材料的非线性电光特性非常微弱并且其介电模式也受到了衍射的限制，基于硅的EOM电光调制器在具有毫米级的大型尺寸器件也留下了足迹[1、2、3、4]。这意味着生产制造过程中需要对器件的集成密度和制造所需要的成本进行限制。除此此外，我们通过缩小光子调制器的尺寸得方法还可以降低调制器的负载电容，从而增加调制器的调制频率同时还降低了功耗。
在设计紧凑型EOM电光调制器时，需要考虑的关键因素有：（1）光与物质的相互作用增强了；（2）通过使用高电光系数的材料，使得基于等离子体的波导的设计成为强电场的存在时的约束条件下的一个很好的选择。至于活性材料，研究已经报道了导电氧化物折射率的单位阶数的变化[ 5]。然而，这种折射率的变化发生在非常薄的导电氧化物层中。为了在调制应用中利用这种折射率变化，光应该集中在超小尺寸上。由于等离子体激元的强场限制，将导电氧化物结合到基于等离子体波导的调制器中是一个很好的选择。最近，导电氧化物如氧化铟锡（ITO）已被研究用于等离子体激元电光调制中应用[ 6，7，8，9 ]，产生1分贝/微米消光比和1.2 dB的插入损耗[ 6]。尽管研究成果与普通硅EOM相比有所改善，但由于两个主要因素，这些结构仍然具有较大的插入损耗。第一个原因是金属氧化物半导体（MOS）金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管模式的传播损耗。其次，由于MOS金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管模式和硅波导的光学模式之间的耦合作用而存在一定的损耗。
本文介绍了一种紧凑型低插入损耗的等离子体调制器。该设计是基于非对称的混合等离子体波导（AHPW），调制器支持远程超模。与MOS金属—氧化物—半导体波导和其他常见的等离子体波导相比，这种超模提供了对限制和传播损耗权衡具有良好的耐受性[ 10 ]。我们已经证明，5mu;mEOM中的插入损耗可以降低到0.25 分贝。除了低损耗传播模式之外，该等离子体超模可以有效地耦合到标准光子硅波导上。
本文的其余部分内容结构安排如下。第二节给我们介绍了氧化铟锡材料是如何作为用于光调制的活性材料，以及如何根据施加的电压来修改其调制器的性能。设备的结构和模态分析在第三章内容中进行了阐述;第四节讨论了FDTD时域有限差分法模拟的结果，分析了器件性能以及各种设计参数对调制器造成的影响。结论在第五章节。
电光有源层
在我们提出的电吸收调制器中使用氧化铟锡作为光学活性材料。通过实验结果可以证明，使用Drude模型可以准确地预测出在超过1mu;m的波长下的ITO介电常数[ 11 ]。通过公式（1）可以计算得到。
（1）
式中 ε 是物质介电常数，是高频介电常数， omega; 角频率， 是等离子体频率， 是弛豫频率。等离子体频率由下式（2）计算得出。
(2)
式中N是材料中的自由载流子浓度；是电子的有效质量。
根据公式（2）看出，可以通过调节载流子的浓度来控制ITO介电常数。在【6】纳米光子学中具有宽带响应的超紧凑型硅纳米光子调制器中，测量了用于ITO薄膜的参数。图1中的曲线向我们显示了由于载流子浓度的变化导致的ITO光学性质的变化，ITO载流子浓度从1019变化至 6.8 times; 1020cm- 3。
Fig. 1 The real and the imaginary part of the refractive index of the indium tin oxide in the on- and the off-states
对于ITO载流子浓度的调制是通过对图2.a中所示的结构通过施加电压来实现的。 自由载流子 可以在导电氧化物和二氧化硅之间的界面处形成累积层。电子器件的模拟结果提供了在调制电压作用下积累层厚度的估计结果。我们使用漂移-扩散传输模型和量子模型获得电子的浓度。
漂移-扩散方程是用来描述半导体中载流子的运动规律的方程。它描述了两类运动：扩散电流和漂移电流。漂移扩散方程和泊松方程一起可以用来计算半导体内的电势分布和载流子浓度分布，该模型应用广泛，属于用半经典性模型。漂移扩散输运模型可以通过洽求解泊松方程（3）和漂移扩散方程（4，5）求解。泊松首先在无引力源的情况下得到泊松方程，△Phi;=0（即拉普拉斯方程）；当考虑引力场时，有△Phi;=f（f为引力场的质量分布）。后推广至电场磁场，以及热场分布。该方程通常用格林函数法求解，也可以分离变量法，特征线法求解。
(3)
式中为局部介电常数，为静电势，为局部空间电荷密度。
(4)
(5)
式中， 是电流密度（A / cm2），q是正电荷，是迁移率，E是电场，是扩散常数，n和p分别是电子和空穴的密度。每个载流子（电子或空穴）在两个相反的过程的影响下进行移动，分别是自由载流子由于施加的电场引起的漂移运动和载流子由于密度梯度引起的热扩散运动。
量子处理自我一致地求解泊松方程（对于势能）和薛定谔方程（对于束缚态能量和载波函数）。在Atlas中使用密度梯度[ 12 ] 模拟了由于局部的电位变化与电子波函数尺度（即量子效应在超低温等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象
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