Влияние физических свойств p-n перехода на СВЧ характеристики электрооптического модулятора на кремнии / Царев А. В., Тазиев Р. М

Abstract

В настоящей работе представлены результаты численного моделирования электрооптического модулятора Маха-Цендера с применением делителей пучка на основе многомодовой интерференции (ММИ) в структуре кремний на изоляторе (КНИ). Управление обеспечивается за счет эффекта обеднения в вертикальном p-n переходе, который может быть изготовлен с помощью технологической процедуры самовыравнивания. Показано, что благодаря применению специального профиля легирования донорными примесями для формирования p-n перехода удается существенным образом оптимизировать свойства электрооптического модулятора на КНИ под заданную полосу рабочих частот и величину управляющего напряжения. В частности, предложена оптимальная конструкции модулятора бегущей волны, согласованного с внешней 50-омной нагрузкой, для которого при величине обратного смещения в -5 вольт и активной длине 1.7 мм возможна оптическая рабочая полоса частот около 50 ГГц. При этом модулятор на вертикальном p-n переходе будет иметь общую длину 7 мм и внутренние потери около 4 дБ, которые складываются из потерь на двух ММИ 1х2 и 2х2 (0.3 дБ), потерь в активной части модулятора (1.2 дБ) и потерь на распространение на несовершенствах границ волновода (2.1 дБ/см =0.73 дБ/см). Также предложен особый профиль легирования p-n перехода модулятора, обеспечивающий оптическую полосу частот 30 ГГц при величине обратного смещения в –3 вольта и длине модулятора 2.5 мм. Модулятор сконструирован на гребенчатом оптическом волноводе шириной 600 мкм, высотой гребня 200 нм и высотой планрного основани 200 нм, которое оптимально для изготовления решеточных элементов связи, а фундаментальна мода данного гребенчатого волновода с пренебрежимо малыми потерями может быть трансформирована [1] с помощью инвертированного клина в широкий пучок планарного основания для последующего перехода с помощью дифракционной решетки в одномодовое оптическое волокно. Такие модуляторы могут найти применение в устройствах интегральной оптики, оптической связи и радиофотоники. Авторы благодарят компанию Synopsys, Inc. за предоставление лицензионного программного обеспечения от Rsoft для компьютерного моделирования наших структур. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки России, уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI58117X0026, в части приобретения программного обеспечения, а также разработки и оптимизации оптической схемы модулятора на основе ММИ. Работа также выполнена при частичной поддержки гранта РНФ 19-19-00169 в части расчета электрофизических параметров модулятора на основе p-n перехода.