Una delle proprietà più importanti di un modulatore ottico è la sua velocità di modulazione o larghezza di banda, che dovrebbe essere almeno pari a quella dell'elettronica disponibile. Transistor con frequenze di transito ben superiori a 100 GHz sono già stati dimostrati nella tecnologia al silicio a 90 nm e la velocità aumenterà ulteriormente con la riduzione delle dimensioni minime delle caratteristiche [1]. Tuttavia, la larghezza di banda degli attuali modulatori basati sul silicio è limitata. Il silicio non possiede una non linearità χ(2) a causa della sua struttura cristallina centro-simmetrica. L'uso di silicio deformato ha già portato a risultati interessanti [2], ma le non linearità non consentono ancora dispositivi pratici. I modulatori fotonici al silicio allo stato dell'arte si basano quindi ancora sulla dispersione dei portatori liberi nelle giunzioni pn o pin [3–5]. È stato dimostrato che le giunzioni polarizzate direttamente presentano un prodotto tensione-lunghezza pari a VπL = 0,36 V mm, ma la velocità di modulazione è limitata dalla dinamica dei portatori minoritari. Tuttavia, velocità di trasmissione dati di 10 Gbit/s sono state generate con l'ausilio di una pre-enfasi del segnale elettrico [4]. Utilizzando invece giunzioni polarizzate inversamente, la larghezza di banda è stata aumentata a circa 30 GHz [5,6], ma il prodotto tensione-lunghezza è salito a VπL = 40 V mm. Sfortunatamente, tali modulatori di fase a effetto plasma producono anche una modulazione di intensità indesiderata [7] e rispondono in modo non lineare alla tensione applicata. Formati di modulazione avanzati come QAM richiedono, tuttavia, una risposta lineare e una modulazione di fase pura, rendendo particolarmente desiderabile lo sfruttamento dell'effetto elettro-ottico (effetto Pockels [8]).
2. Approccio SOH
Recentemente, è stato suggerito l'approccio ibrido silicio-organico (SOH) [9–12]. Un esempio di modulatore SOH è mostrato in Fig. 1(a). Consiste in una guida d'onda a fessura che guida il campo ottico e due strisce di silicio che collegano elettricamente la guida d'onda ottica agli elettrodi metallici. Gli elettrodi sono posizionati al di fuori del campo modale ottico per evitare perdite ottiche [13], Fig. 1(b). Il dispositivo è rivestito con un materiale organico elettro-ottico che riempie uniformemente la fessura. La tensione modulante è trasportata dalla guida d'onda elettrica metallica e diminuisce attraverso la fessura grazie alle strisce di silicio conduttive. Il campo elettrico risultante modifica quindi l'indice di rifrazione nella fessura attraverso l'effetto elettro-ottico ultraveloce. Poiché la fessura ha una larghezza dell'ordine di 100 nm, pochi volt sono sufficienti per generare campi modulanti molto intensi che sono nell'ordine di grandezza della rigidità dielettrica della maggior parte dei materiali. La struttura ha un'elevata efficienza di modulazione poiché sia il campo modulante che quello ottico sono concentrati all'interno dello slot, Fig. 1(b) [14]. Infatti, sono già state mostrate le prime implementazioni di modulatori SOH con funzionamento sub-volt [11], ed è stata dimostrata la modulazione sinusoidale fino a 40 GHz [15,16]. Tuttavia, la sfida nella costruzione di modulatori SOH ad alta velocità e bassa tensione è quella di creare una striscia di connessione altamente conduttiva. In un circuito equivalente, lo slot può essere rappresentato da un condensatore C e le strisce conduttive da resistori R, Fig. 1(b). La costante di tempo RC corrispondente determina la larghezza di banda del dispositivo [10,14,17,18]. Per ridurre la resistenza R, è stato suggerito di drogare le strisce di silicio [10,14]. Mentre il drogaggio aumenta la conduttività delle strisce di silicio (e quindi aumenta le perdite ottiche), si paga una penalità di perdita aggiuntiva perché la mobilità degli elettroni è compromessa dalla diffusione delle impurità [10,14,19]. Inoltre, i più recenti tentativi di fabbricazione hanno mostrato una conduttività inaspettatamente bassa.
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Data di pubblicazione: 29 marzo 2023