Ученые из Сколтеха разработали сверхкомпактный электрооптический модулятор на основе кремниевой фотоники и плазмоники. Устройство позволяет управлять оптическими сигналами с высокой эффективностью при микронных размерах и может найти применение в системах оптической связи и обработки сверхвысокочастотных сигналов.
Предложенный электрооптический модулятор выполнен на основе кремниевой фотоники и плазмоники. Он позволяет эффективно управлять светом при крайне малых габаритах. Устройство может применяться в системах оптической связи, аналого-цифрового преобразования и при обработке сверхвысокочастотных сигналов.
В основе разработки — многомодовый кремниевый волновод шириной 7 микрометров и толщиной 220 нанометров с добавлением слоя прозрачного проводящего оксида индия и олова. При подаче напряжения меняется концентрация электронов в слое толщиной около 2 нанометров, что изменяет показатель преломления материала и позволяет модулировать проходящий свет.
Главное отличие нового устройства от аналогов — использование многомодового режима. В широком волноводе могут одновременно распространяться несколько световых мод, которые интерферируют друг с другом. Меняя параметры их возбуждения, можно добиваться амплитудной или фазовой модуляции. На выходе формируются два сигнала, сдвинутых по фазе на 180 градусов.
По словам младшего научного сотрудника Сколтеха Анастасии Земцовой, впервые показана работа модулятора на постоянном токе и его высокочастотный отклик. Уникальный дизайн позволил получить коэффициент экстинкции (глубину модуляции) 20,6 дБ для структуры длиной 1,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 1,5 В, что соответствует рекордным 12,8 дБ на микрометр. На частоте 1 ГГц коэффициент составил 1,25 дБ для модулятора длиной 3,6 мкм.
Как отмечает научный сотрудник Даниил Земцов, особенность структуры — в гибкой настройке: один и тот же модулятор может работать в амплитудном, фазовом или смешанном режиме. Балансный выход позволяет реализовать пространственную модуляцию в микронном масштабе.
Профессор Владимир Драчев, директор Центра инженерной физики Сколтеха, пояснил практическую значимость. Устройство длиной в несколько микрометров заменяет интерферометр Маха — Цендера длиной в миллиметры, подавая на фотодетектор два сигнала с противоположной фазой для подавления шума. Кроме того, характеристики модулятора можно настраивать после изготовления, меняя положение подводящего оптоволокна, что упрощает калибровку и повышает интерес к разработке.