Uma das propriedades mais importantes de um modulador óptico é sua velocidade de modulação ou largura de banda, que deve ser pelo menos tão rápida quanto a eletrônica disponível. Transistores com frequências de transição bem acima de 100 GHz já foram demonstrados em tecnologia de silício de 90 nm, e a velocidade aumentará ainda mais à medida que o tamanho mínimo do componente for reduzido [1]. No entanto, a largura de banda dos moduladores baseados em silício atuais é limitada. O silício não possui uma não linearidade χ(2) devido à sua estrutura cristalina centrossimétrica. O uso de silício tensionado já levou a resultados interessantes [2], mas as não linearidades ainda não permitem dispositivos práticos. Portanto, os moduladores fotônicos de silício de última geração ainda dependem da dispersão de portadores livres em junções pn ou pin [3–5]. Junções polarizadas diretamente demonstraram apresentar um produto tensão-comprimento tão baixo quanto VπL = 0,36 V mm, mas a velocidade de modulação é limitada pela dinâmica dos portadores minoritários. Ainda assim, taxas de dados de 10 Gbit/s foram geradas com a ajuda de uma pré-ênfase do sinal elétrico [4]. Usando junções polarizadas reversamente, a largura de banda foi aumentada para cerca de 30 GHz [5,6], mas o produto tensão-comprimento subiu para VπL = 40 V mm. Infelizmente, tais moduladores de fase por efeito de plasma também produzem modulação de intensidade indesejada [7] e respondem de forma não linear à tensão aplicada. Formatos de modulação avançados, como QAM, requerem, no entanto, uma resposta linear e modulação de fase pura, tornando a exploração do efeito eletro-óptico (efeito Pockels [8]) particularmente desejável.
2. Abordagem SOH
Recentemente, a abordagem híbrida silício-orgânica (SOH) foi sugerida [9–12]. Um exemplo de um modulador SOH é mostrado na Fig. 1(a). Ele consiste em um guia de onda de fenda que guia o campo óptico e duas tiras de silício que conectam eletricamente o guia de onda óptico aos eletrodos metálicos. Os eletrodos estão localizados fora do campo modal óptico para evitar perdas ópticas [13], Fig. 1(b). O dispositivo é revestido com um material orgânico eletro-óptico que preenche uniformemente a fenda. A tensão de modulação é conduzida pelo guia de onda elétrico metálico e se dissipa ao longo da fenda graças às tiras condutoras de silício. O campo elétrico resultante então altera o índice de refração na fenda através do efeito eletro-óptico ultrarrápido. Como a fenda tem uma largura da ordem de 100 nm, alguns volts são suficientes para gerar campos de modulação muito fortes, que são da ordem de grandeza da rigidez dielétrica da maioria dos materiais. A estrutura apresenta alta eficiência de modulação, uma vez que tanto o campo modulador quanto o campo óptico estão concentrados dentro da fenda, Fig. 1(b) [14]. De fato, as primeiras implementações de moduladores SOH com operação sub-volt [11] já foram demonstradas, e modulação senoidal de até 40 GHz foi demonstrada [15,16]. No entanto, o desafio na construção de moduladores SOH de baixa tensão e alta velocidade é criar uma faixa de conexão altamente condutora. Em um circuito equivalente, a fenda pode ser representada por um capacitor C e as faixas condutoras por resistores R, Fig. 1(b). A constante de tempo RC correspondente determina a largura de banda do dispositivo [10,14,17,18]. Para diminuir a resistência R, foi sugerido dopar as faixas de silício [10,14]. Embora a dopagem aumente a condutividade das faixas de silício (e, portanto, aumente as perdas ópticas), há uma penalidade adicional de perda, pois a mobilidade dos elétrons é prejudicada pelo espalhamento por impurezas [10,14,19]. Além disso, as tentativas de fabricação mais recentes apresentaram uma condutividade inesperadamente baixa.
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Data da publicação: 29/03/2023