광 변조기의 가장 중요한 특성 중 하나는 변조 속도 또는 대역폭이며, 이는 최소한 사용 가능한 전자 장치의 속도만큼 빨라야 합니다. 90nm 실리콘 기술에서는 이미 100GHz를 훨씬 넘는 전송 주파수를 갖는 트랜지스터가 구현되었으며, 최소 특징 크기가 줄어들수록 속도는 더욱 향상될 것입니다[1]. 그러나 현재 실리콘 기반 변조기의 대역폭은 제한적입니다. 실리콘은 중심 대칭 결정 구조로 인해 χ(2) 비선형성을 갖지 않습니다. 변형된 실리콘을 사용하면 이미 흥미로운 결과가 나왔지만[2], 비선형성으로 인해 아직 실용적인 장치를 구현할 수는 없습니다. 따라서 최첨단 실리콘 광자 변조기는 여전히 pn 또는 pin 접합에서의 자유 전하 분산에 의존합니다[3-5]. 순방향 바이어스 접합은 VπL = 0.36V/mm만큼 낮은 전압-길이 곱을 나타내는 것으로 밝혀졌지만, 변조 속도는 소수 전하의 동적 특성에 의해 제한됩니다. 그럼에도 불구하고, 전기 신호의 사전 강조를 통해 10Gbit/s의 데이터 전송률이 생성되었습니다[4]. 역방향 바이어스 접합을 사용하면 대역폭이 약 30GHz까지 증가했지만[5,6], 전압-길이 곱은 VπL = 40V/mm로 증가했습니다. 불행히도 이러한 플라즈마 효과 위상 변조기는 원치 않는 강도 변조도 발생시키고[7], 인가 전압에 비선형적으로 반응합니다. 그러나 QAM과 같은 고급 변조 형식은 선형 응답과 순수한 위상 변조를 요구하므로 전기광학 효과(포켈스 효과[8])를 활용하는 것이 특히 바람직합니다.
2. SOH 접근법
최근 실리콘-유기 하이브리드(SOH) 방식이 제안되었습니다[9–12]. SOH 변조기의 예가 그림 1(a)에 나와 있습니다. 이 변조기는 광장을 유도하는 슬롯 도파관과 광 도파관을 금속 전극에 전기적으로 연결하는 두 개의 실리콘 스트립으로 구성됩니다. 전극은 광 손실을 방지하기 위해 광 모드 필드 외부에 위치합니다[13], 그림 1(b). 이 장치는 슬롯을 균일하게 채우는 전기광학 유기 물질로 코팅되어 있습니다. 변조 전압은 금속 전기 도파관을 통해 전달되고 전도성 실리콘 스트립 덕분에 슬롯을 가로질러 감소합니다. 결과적으로 생성된 전기장은 초고속 전기광학 효과를 통해 슬롯의 굴절률을 변화시킵니다. 슬롯의 폭이 약 100nm 정도이므로, 수 볼트의 전압만으로도 대부분의 물질의 유전 강도와 비슷한 크기의 매우 강력한 변조장을 생성할 수 있습니다. 이 구조는 변조 필드와 광장이 모두 슬롯 내부에 집중되어 있기 때문에 변조 효율이 높습니다(그림 1(b))[14]. 실제로, 서브볼트 동작[11]을 갖는 SOH 변조기의 최초 구현이 이미 제시되었으며, 최대 40GHz의 정현파 변조가 시연되었습니다[15,16]. 그러나 저전압 고속 SOH 변조기를 제작하는 데 있어 어려운 점은 높은 전도성을 갖는 연결 스트립을 만드는 것입니다. 등가 회로에서 슬롯은 커패시터 C로, 전도성 스트립은 저항 R로 나타낼 수 있습니다(그림 1(b)). 해당 RC 시정수는 장치의 대역폭을 결정합니다[10,14,17,18]. 저항 R을 낮추기 위해 실리콘 스트립에 도핑하는 방법이 제안되었습니다[10,14]. 도핑은 실리콘 스트립의 전도도를 증가시키지만(따라서 광 손실도 증가시키지만), 불순물 산란으로 인해 전자 이동도가 저하되어 추가적인 손실이 발생합니다[10,14,19]. 더욱이, 최근의 제작 시도에서는 예상외로 낮은 전도도가 나타났습니다.
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게시 시간: 2023년 3월 29일