Исследователи Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) разработали сверхкомпактный электрооптический модулятор на основе кремниевой фотоники и плазмоники, который позволяет управлять оптическими сигналами с высокой эффективностью при малых размерах устройства. Разработка может найти применение в системах оптической связи, аналого-цифрового преобразования, а также в устройствах формирования и обработки сверхвысокочастотных сигналов на основе фотонных технологий. Работа, поддержанная грантом РНФ, опубликована в журнале Light: Advanced Manufacturing, который входит в топ-2-5% рейтинга журналов SCImago Journal & Country Rank.
Предложенное устройство использует многомодовый кремниевый волновод шириной 7 микрометров и толщиной 220 нанометров, а также слой прозрачного проводящего оксида индия и олова. При подаче напряжения изменяется концентрация электронов в тончайшем слое толщиной около 2 нанометров на границе оксида с изолирующим слоем диоксида кремния. Это приводит к изменению показателя преломления и коэффициента поглощения материала, что позволяет модулировать проходящий свет.
Основное отличие новой разработки от существующих аналогов — использование многомодового режима работы волновода. В широком волноводе могут распространяться одновременно несколько мод, которые интерферируют друг с другом. Управляя параметрами возбуждения этих мод, исследователи могут добиваться либо амплитудной, либо фазовой модуляции света. При этом на выходе устройства формируются два пространственно разделённых сигнала, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 180 градусов.
«Эта публикация является важным достижением в изучении свойств плазмонных интегральных модуляторов на основе прозрачных проводящих оксидов. Все этапы изготовления и тестирования модулятора были выполнены в Лаборатории плазмоники Центра инженерной физики Сколтеха. В публикации впервые продемонстрирована экстинкция модулятора на постоянном токе и его высокочастотный отклик, при этом наблюдается значительное отличие в коэффициенте экстинкции, вызванное принципиально разными механизмами. Уникальный многомодовый дизайн позволил получить экстинкцию при постоянном токе 20,6 дБ для структуры длиной 1,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 1,5 В, что соответствует рекордным значениям — 12,8 дБ/мкм. Непосредственно измеренный коэффициент экстинкции модулятора в частотном режиме составляет 2,48 дБ при частоте модуляции 10 МГц и снижается до 1,25 дБ при частоте 1 ГГц в диапазоне напряжений от -2 до 2 В для модулятора длиной 3,6 мкм», — поделилась младший научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Анастасия Земцова, первый автор работы.
«Уникальная особенность структуры — в возможности гибкой настройки. Один и тот же модулятор может быть амплитудным, фазовым или даже комбинировать эти режимы. При этом балансный выход помимо преимуществ в шумовых характеристиках позволяет реализовать пространственную модуляцию в масштабе фотонной интегральной схемы — и всё это в устройстве с микронными размерами. В 2023 году мы показали одномодовый модулятор, работающий в полосе более 40 ГГц. Многомодовый режим вывел устройство на новый уровень», — рассказал научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Даниил Земцов, соавтор работы.
«Практическая значимость работы заключается в возможности создания компактных фотонных интегральных схем для систем обработки сигналов с балансным детектированием. В таких системах требуется подавать на фотодетектор два сигнала с противоположной фазой, что позволяет подавлять шум и усиливать полезный сигнал. Обычно для этого используется интерферометр Маха — Цендера длиной в несколько миллиметров. Предложенное нами устройство длиной в несколько микрометров выполняет ту же функцию в одном волноводе, что значительно сокращает размеры и упрощает интеграцию. Важно, что умеренная экстинкция не ограничивает применение в высокоскоростной обработке сигналов благодаря очень компактным размерам. Так называемая push-pull архитектура обеспечивает высокую экстинкцию комплекса при умеренном уровне одиночного модулятора (например, 20 дБ при 1 дБ), что обычно используется в когерентных системах связи для передовых форматов 4D-модуляции», — добавил профессор Владимир Драчёв, директор Центра инженерной физики Сколтеха и научный руководитель исследования.
Дополнительным преимуществом является возможность настройки характеристик модулятора после изготовления. Изменяя положение подводящего и отводящего оптического волокна относительно поверхности чипа, можно менять вклад различных мод и, соответственно, модуляционные характеристики устройства. Это упрощает калибровку и повышает практический интерес к разработке.
