Nový ultra-kompaktní modulátor ze Skoltechu: Zásadně zmenší fotonické obvody a potlačí šum v komunikaci

Vědci ze Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) vyvinuli ultra-kompaktní elektrooptický modulátor, který využívá křemíkovou fotoniku a plazmoniku.

Vědci ze Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) vyvinuli ultra-kompaktní elektrooptický modulátor, který využívá křemíkovou fotoniku a plazmoniku. Toto inovativní zařízení umožňuje vysoce efektivní řízení optického signálu v rámci velmi malých rozměrů, což otevírá nové možnosti pro optické komunikační systémy, analogově-digitální konverzi a zařízení pro generování a zpracování ultra-vysokofrekvenčních signálů založených na fotonických technologiích.

Klíčem k funkčnosti modulátoru je multimódový křemíkový vlnovod o šířce přibližně 7 mikrometrů a tloušťce 220 nanometrů, na jehož povrchu je tenká vrstva oxidu india a cínu. Při aplikaci napětí dochází ke změně koncentrace elektronů v ultratenké vrstvě (asi 2 nanometry) na rozhraní mezi oxidem india a cínu a izolační vrstvou oxidu křemičitého. Tato změna následně ovlivňuje index lomu a absorpční koeficient materiálu, což umožňuje modulovat procházející světlo.

Hlavní inovací oproti stávajícím analogům je využití vícevidového provozu vlnovodu. V širokém vlnovodu se může šířit více módů současně a vzájemně se propojovat. Řízením parametrů buzení těchto módů mohou vědci dosáhnout buď amplitudové, nebo fázové modulace světla. Na výstupu zařízení se pak tvoří dva prostorově oddělené signály s fázovým posunem 180 stupňů, což je zásadní pro potlačení šumu.

Podle Anastasie Zemtsové, první autorky studie, představuje tato publikace významný pokrok v pochopení vlastností plazmonických integrovaných modulátorů založených na transparentních vodivých oxidech. Modulátor dosáhl rekordního poměru útlumu stejnosměrného proudu 20,6 dB pro strukturu o délce 1,6 µm v rozsahu napětí –2 až 1,5 V, což odpovídá hodnotě 12,8 dB/µm. Měřený poměr útlumu střídavého proudu je 2,48 dB při modulační frekvenci 10 MHz a klesá na 1,25 dB při 1 GHz pro modulátor o délce 3,6 µm.

Daniil Zemtsov, spoluautor práce, zdůrazňuje flexibilní laditelnost struktury. Stejný modulátor může fungovat jako amplitudový, fázový, nebo kombinovat oba režimy. Vyvážený výstup navíc, kromě výhod v potlačení šumu, umožňuje prostorovou modulaci v měřítku fotonického integrovaného obvodu – to vše v zařízení o velikosti mikronů. Tato technologie výrazně zmenšuje velikost zařízení, která by dříve vyžadovala Mach-Zehnderovy interferometry o délce několika milimetrů, a zjednodušuje jejich integraci. Další výhodou je možnost doladění charakteristik modulátoru i po jeho výrobě, a to úpravou polohy vstupních a výstupních optických vláken vůči povrchu čipu.