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 rápida 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 seguirá aumentando a medida que se reduzca el tamaño mínimo de los componentes [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 tensionado ya ha dado lugar a resultados interesantes [2], pero las no linealidades aún no permiten la creación de dispositivos prácticos. Por lo tanto, los moduladores fotónicos de silicio de última generación todavía dependen de la dispersión de portadores libres en uniones pn o pin [3–5]. Se ha demostrado que las uniones polarizadas directamente presentan un producto 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 la preénfasis de la señal eléctrica [4]. Al utilizar uniones polarizadas inversamente, el ancho de banda se ha incrementado hasta aproximadamente 30 GHz [5,6], pero el producto voltaje-longitud aumentó a VπL = 40 V mm. Desafortunadamente, estos moduladores de fase basados en el 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 una modulación de fase pura, lo que hace que el aprovechamiento del efecto electroóptico (efecto Pockels [8]) sea particularmente deseable.
2. Enfoque SOH
Recientemente, se ha propuesto el enfoque híbrido silicio-orgánico (SOH) [9–12]. En la figura 1(a) se muestra un ejemplo de modulador SOH. Este consta de 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], figura 1(b). El dispositivo está recubierto con un material orgánico electroóptico que llena uniformemente la ranura. El voltaje de modulación se transmite por la guía de onda eléctrica metálica y disminuye a lo largo de la ranura gracias a las tiras de silicio conductoras. El campo eléctrico resultante modifica 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 intensos, del 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 subvoltio [11], y se ha demostrado la modulación sinusoidal hasta 40 GHz [15,16]. Sin embargo, el reto en la construcción de moduladores SOH de alta velocidad y bajo voltaje reside en la creación de una tira de conexión altamente conductora. En un circuito equivalente, la ranura puede representarse mediante un capacitor C y las tiras 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 tiras de silicio [10,14]. Si bien el dopaje aumenta la conductividad de las tiras de silicio (y, por lo tanto, aumenta las pérdidas ópticas), se produce una penalización adicional por pérdidas, ya que la movilidad de los electrones 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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Fecha de publicación: 29 de marzo de 2023