광 변조기의 가장 중요한 특성 중 하나는 변조 속도 또는 대역폭으로, 최소한 사용 가능한 전자 장치만큼 빨라야 합니다. 100GHz보다 훨씬 높은 통과 주파수를 갖는 트랜지스터는 이미 90nm 실리콘 기술에서 시연되었으며, 최소 피처 크기가 감소함에 따라 속도가 더욱 빨라질 것입니다[1]. 그러나 현재 실리콘 기반 변조기의 대역폭은 제한적입니다. 실리콘은 중심 대칭 결정 구조로 인해 χ(2) 비선형성을 갖지 않습니다. 변형된 실리콘을 사용하여 이미 흥미로운 결과가 도출되었지만[2], 이러한 비선형성으로 인해 아직 실용적인 소자에 사용할 수 없습니다. 따라서 최첨단 실리콘 광 변조기는 여전히 pn 또는 pin 접합의 자유 캐리어 분산에 의존합니다[3–5]. 순방향 바이어스 접합은 VπL = 0.36 V mm만큼 낮은 전압-길이 곱을 나타내는 것으로 나타났지만, 변조 속도는 소수 캐리어의 역학에 의해 제한됩니다. 그럼에도 불구하고, 전기 신호의 프리엠퍼시스를 통해 10Gbit/s의 데이터 속도가 생성되었습니다[4]. 대신 역방향 바이어스 접합을 사용하여 대역폭이 약 30GHz로 증가했지만[5,6] 전압-길이 곱은 VπL = 40V mm로 증가했습니다. 불행히도 이러한 플라즈마 효과 위상 변조기는 원치 않는 강도 변조도 생성하며[7] 인가된 전압에 비선형적으로 응답합니다. 그러나 QAM과 같은 고급 변조 형식은 선형 응답과 순수한 위상 변조가 필요하므로 전기 광학 효과(포켈스 효과[8])를 활용하는 것이 특히 바람직합니다.
2. SOH 접근 방식
최근 실리콘-유기 하이브리드(SOH) 접근법이 제안되었습니다[9–12]. SOH 변조기의 예가 그림 1(a)에 나와 있습니다. 이것은 광 필드를 안내하는 슬롯 도파관과 광 도파관을 금속 전극에 전기적으로 연결하는 두 개의 실리콘 스트립으로 구성됩니다. 전극은 광 손실을 피하기 위해 광 모달 필드 외부에 위치합니다[13], 그림 1(b). 이 장치는 슬롯을 균일하게 채우는 전기 광학 유기 재료로 코팅되어 있습니다. 변조 전압은 금속 전기 도파관을 통해 전달되고 전도성 실리콘 스트립 덕분에 슬롯을 가로질러 떨어집니다. 그 결과 발생하는 전기장은 초고속 전기 광학 효과를 통해 슬롯의 굴절률을 변경합니다. 슬롯의 너비가 100nm 정도이므로 몇 볼트만으로도 대부분의 재료의 유전 강도와 같은 크기의 매우 강한 변조 필드를 생성하기에 충분합니다. 이 구조는 변조 및 광학 필드가 모두 슬롯 내부에 집중되어 있기 때문에 높은 변조 효율을 갖습니다(그림 1(b) [14]). 실제로, 서브볼트 동작을 갖는 SOH 변조기의 첫 번째 구현[11]이 이미 제시되었고, 최대 40GHz까지의 사인파 변조가 시연되었습니다[15,16]. 그러나 저전압 고속 SOH 변조기를 제작하는 데 있어 과제는 전도성이 높은 연결 스트립을 만드는 것입니다. 등가 회로에서 슬롯은 커패시터 C로, 전도성 스트립은 저항 R로 표현할 수 있습니다(그림 1(b)). 해당 RC 시간 상수는 소자의 대역폭을 결정합니다[10,14,17,18]. 저항 R을 줄이기 위해 실리콘 스트립을 도핑하는 것이 제안되었습니다[10,14]. 도핑은 실리콘 스트립의 전도도를 증가시키지만(따라서 광학 손실도 증가시킵니다), 불순물 산란으로 인해 전자 이동도가 저하되기 때문에 추가적인 손실 페널티를 치러야 합니다[10,14,19]. 게다가 최근의 제조 시도에서는 예상치 못하게 낮은 전도도가 나타났습니다.
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게시 시간: 2023년 3월 29일