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 dos componentes eletrônicos disponíveis. Transistores com frequências de trânsito bem acima de 100 GHz já foram demonstrados na tecnologia de silício de 90 nm, e a velocidade aumentará ainda mais à medida que o tamanho mínimo do recurso for reduzido [1]. No entanto, a largura de banda dos moduladores atuais baseados em silício 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. Os moduladores fotônicos de silício de última geração, portanto, ainda dependem da dispersão de portadora livre em junções pn ou pin [3–5]. Junções polarizadas diretamente demonstraram exibir um produto tensão-comprimento tão baixo quanto VπL = 0,36 V mm, mas a velocidade de modulação é limitada pela dinâmica de portadoras minoritárias. Ainda assim, taxas de dados de 10 Gbit/s foram geradas com o auxílio de uma pré-ênfase no sinal elétrico [4]. Utilizando junções com polarização reversa, a largura de banda foi aumentada para cerca de 30 GHz [5,6], mas o produto tensão-comprimento aumentou para VπL = 40 V mm. Infelizmente, tais moduladores de fase de efeito de plasma também produzem modulação de intensidade indesejada [7] e respondem de forma não linear à tensão aplicada. Formatos avançados de modulação, 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 ondas de fenda que guia o campo óptico e duas tiras de silício que conectam eletricamente o guia de ondas 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 transportada pelo guia de ondas elétrico metálico e cai através da fenda graças às tiras de silício condutoras. 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 moduladores muito fortes que estão na ordem de magnitude da rigidez dielétrica da maioria dos materiais. A estrutura apresenta alta eficiência de modulação, visto que tanto o campo modulante quanto o óptico estão concentrados dentro da ranhura, Fig. 1(b) [14]. De fato, as primeiras implementações de moduladores SOH com operação subvoltagem [11] já foram demonstradas, e a 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 tira de conexão altamente condutiva. Em um circuito equivalente, a ranhura pode ser representada por um capacitor C e as tiras 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 tiras de silício [10,14]. Embora a dopagem aumente a condutividade das tiras de silício (e, portanto, aumente as perdas ópticas), paga-se uma penalidade adicional de perda porque a mobilidade dos elétrons é prejudicada pelo espalhamento de impurezas [10,14,19]. Além disso, as tentativas de fabricação mais recentes mostraram condutividade inesperadamente baixa.
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Horário da publicação: 29/03/2023