Una de las propiedades más importantes de un modulador óptico es su velocidad de modulación o ancho de banda, que debe ser al menos tan rápido como la electrónica disponible. Ya se han demostrado transistores con frecuencias de tránsito muy superiores a 100 GHz en tecnología de silicio de 90 nm, y la velocidad aumentará aún más a medida que se reduzca el tamaño mínimo de la característica [1]. Sin embargo, el ancho de banda de los moduladores actuales basados en silicio es limitado. El silicio no posee una no linealidad χ(2) debido a su estructura cristalina centrosimétrica. El uso de silicio deformado ya ha dado lugar a resultados interesantes [2], pero las no linealidades aún no permiten dispositivos prácticos. Por lo tanto, los moduladores fotónicos de silicio de última generación aún dependen de la dispersión de portadores libres en las uniones pn o pin [3–5]. Se ha demostrado que las uniones con polarización directa presentan un producto de voltaje-longitud tan bajo como VπL = 0,36 V mm, pero la velocidad de modulación está limitada por la dinámica de los portadores minoritarios. Aun así, se han generado velocidades de datos de 10 Gbit/s mediante preénfasis de la señal eléctrica [4]. Utilizando uniones con polarización inversa, el ancho de banda se ha incrementado a aproximadamente 30 GHz [5,6], pero el producto voltaje-longitud se elevó a VπL = 40 V mm. Desafortunadamente, estos moduladores de fase con efecto plasma también producen una modulación de intensidad no deseada [7] y responden de forma no lineal al voltaje aplicado. Sin embargo, los formatos de modulación avanzados, como QAM, requieren una respuesta lineal y modulación de fase pura, lo que hace especialmente deseable el aprovechamiento del efecto electroóptico (efecto Pockels [8]).
2. Enfoque SOH
Recientemente, se ha sugerido el enfoque híbrido silicio-orgánico (SOH) [9–12]. Un ejemplo de un modulador SOH se muestra en la Fig. 1(a). Consiste en una guía de onda de ranura que guía el campo óptico y dos tiras de silicio que conectan eléctricamente la guía de onda óptica a los electrodos metálicos. Los electrodos se ubican fuera del campo modal óptico para evitar pérdidas ópticas [13], Fig. 1(b). El dispositivo está recubierto con un material orgánico electroóptico que llena uniformemente la ranura. El voltaje de modulación es transportado por la guía de onda eléctrica metálica y cae a través de la ranura gracias a las tiras de silicio conductoras. El campo eléctrico resultante cambia entonces el índice de refracción en la ranura mediante el efecto electroóptico ultrarrápido. Dado que la ranura tiene un ancho del orden de 100 nm, unos pocos voltios son suficientes para generar campos de modulación muy fuertes que están en el orden de magnitud de la rigidez dieléctrica de la mayoría de los materiales. La estructura presenta una alta eficiencia de modulación, ya que tanto el campo modulador como el óptico se concentran dentro de la ranura (Fig. 1(b) [14]. De hecho, ya se han mostrado las primeras implementaciones de moduladores SOH con operación subvolt [11], y se demostró la modulación sinusoidal hasta 40 GHz [15,16]. Sin embargo, el desafío en la construcción de moduladores SOH de baja tensión y alta velocidad reside en crear una banda de conexión altamente conductora. En un circuito equivalente, la ranura se puede representar mediante un condensador C y las bandas conductoras mediante resistencias R (Fig. 1(b). La constante de tiempo RC correspondiente determina el ancho de banda del dispositivo [10,14,17,18]. Para disminuir la resistencia R, se ha sugerido dopar las bandas de silicio [10,14]. Si bien el dopaje aumenta la conductividad de las bandas de silicio (y, por lo tanto, las pérdidas ópticas), se paga una penalización de pérdida adicional debido a que la movilidad electrónica se ve afectada por la dispersión de impurezas [10,14,19]. Además, los intentos de fabricación más recientes mostraron una conductividad inesperadamente baja.
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Hora de publicación: 29 de marzo de 2023