光変調器の最も重要な特性の 1 つは変調速度または帯域幅であり、これは少なくとも利用可能な電子機器と同じ速度である必要があります。100 GHz をはるかに超える通過周波数を持つトランジスタは、90 nm シリコン技術ですでに実証されており、最小フィーチャーサイズが縮小するにつれて速度はさらに向上します [1]。ただし、現在のシリコンベースの変調器の帯域幅は限られています。シリコンは中心対称な結晶構造のため、χ(2) 非線形性を持ちません。ひずみシリコンの使用はすでに興味深い結果をもたらしています [2] が、非線形性のため実用的なデバイスはまだ実現していません。したがって、最先端のシリコン光変調器は依然として pn または pin 接合における自由キャリアの分散に依存しています [3-5]。順バイアス接合は、VπL = 0.36 V mm という低い電圧と長さの積を示すことが示されていますが、変調速度は少数キャリアのダイナミクスによって制限されます。それでも、電気信号のプリエンファシスの助けを借りて、10 Gbit/s のデータ レートが生成されています [4]。代わりに逆バイアス接合を使用すると、帯域幅は約 30 GHz [5、6] に増加しましたが、電圧長積は VπL = 40 V mm に上昇しました。残念ながら、このようなプラズマ効果位相変調器は望ましくない強度変調も生成し [7]、印加電圧に対して非線形に応答します。ただし、QAM のような高度な変調フォーマットは線形応答と純粋な位相変調を必要とするため、電気光学効果 (ポッケルス効果 [8]) の活用が特に望まれます。
2. SOHアプローチ
最近、シリコン有機ハイブリッド (SOH) アプローチが提案されています [9-12]。SOH変調器の例を図1(a)に示します。これは、光場を導くスロット導波路と、光導波路を金属電極に電気的に接続する 2 つのシリコン ストリップで構成されます。電極は光損失を避けるために光モードフィールドの外側に配置されています [13]、図 1(b)。このデバイスは、スロットを均一に埋める電気光学有機材料でコーティングされています。変調電圧は金属製の電気導波管によって伝送され、導電性シリコン ストリップのおかげでスロット全体で降下します。結果として生じる電場は、超高速電気光学効果を通じてスロット内の屈折率を変化させます。スロットの幅は 100 nm 程度であるため、ほとんどの材料の絶縁耐力と同程度の非常に強力な変調場を生成するには、数ボルトで十分です。変調フィールドと光フィールドの両方がスロット内に集中するため、この構造は高い変調効率を備えています (図 1(b) [14])。実際、サブボルト動作を備えた SOH 変調器の最初の実装 [11] がすでに示されており、最大 40 GHz の正弦波変調が実証されています [15、16]。ただし、低電圧高速 SOH 変調器を構築する際の課題は、導電性の高い接続ストリップを作成することです。等価回路では、スロットはコンデンサ C で表され、導電性ストリップは抵抗 R で表されます (図 1(b))。対応する RC 時定数によってデバイスの帯域幅が決まります [10、14、17、18]。抵抗 R を下げるために、シリコン ストリップをドープすることが提案されています [10、14]。ドーピングはシリコンストリップの導電率を増加させますが（したがって光損失も増加します）、電子移動度が不純物散乱によって損なわれるため、追加の損失ペナルティを支払うことになります[10、14、19]。さらに、最近の製造の試みでは、予想外に低い導電率が示されました。
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投稿時間: 2023 年 3 月 29 日