Ученые Сколтеха создали микромодулятор для фотонных чипов
Модулятор — это устройство, которое меняет свойства светового сигнала. Проще говоря, он помогает «записывать» информацию в световой поток. Такие элементы нужны в фотонных чипах, где вместо электрических сигналов все чаще используют оптические.
МОСКВА, 28 апреля. /Новости науки/. Ученые Сколтеха разработали сверхкомпактный электрооптический модулятор для фотонных интегральных схем. Устройство помогает управлять световым сигналом на чипе и может пригодиться в оптической связи, обработке сверхвысокочастотных сигналов и аналого-цифровом преобразовании, сообщает пресс-служба Сколтеха.
«Практическая значимость работы заключается в возможности создания компактных фотонных интегральных схем для систем обработки сигналов с балансным детектированием», — приводятся в сообщении слова профессора Владимира Драчева, директора Центра инженерной физики Сколтеха и научного руководителя исследования.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Light: Advanced Manufacturing.
Модулятор — это устройство, которое меняет свойства светового сигнала. Проще говоря, он помогает «записывать» информацию в световой поток. Такие элементы нужны в фотонных чипах, где вместо электрических сигналов все чаще используют оптические. Это важно для быстрых линий связи, вычислений и обработки данных.
Новая разработка Сколтеха основана на кремниевой фотонике и плазмонике. В устройстве используют кремниевый волновод шириной 7 микрометров и толщиной 220 нанометров. Волновод — это микроскопическая «дорожка», по которой идет свет. Также в модуляторе есть слой прозрачного проводящего оксида индия и олова.
Когда на устройство подают напряжение, на границе оксида и изолирующего слоя диоксида кремния меняется концентрация электронов. Этот активный слой имеет толщину около 2 нанометров. Из-за этого меняются показатель преломления и поглощение материала. В результате устройство управляет проходящим светом.
Главное отличие разработки — многомодовый режим работы. В широком волноводе могут одновременно идти несколько световых мод. Они взаимодействуют друг с другом, и за счет этого ученые могут получать разные типы модуляции: амплитудную, фазовую или смешанную.
На выходе устройство формирует два пространственно разделенных сигнала. Они сдвинуты по фазе на 180 градусов. Такой балансный выход важен для систем, где нужно подавить шум и усилить полезный сигнал.
Обычно для похожей задачи используют интерферометр Маха — Цендера длиной в несколько миллиметров. Разработка Сколтеха выполняет ту же функцию в одном волноводе длиной всего несколько микрометров. Это резко уменьшает размер элемента и упрощает его встраивание в фотонный чип.
«Обычно для этого используется интерферометр Маха — Цендера длиной в несколько миллиметров. Предложенное нами устройство длиной в несколько микрометров выполняет ту же функцию в одном волноводе, что значительно сокращает размеры и упрощает интеграцию», — отметил Драчев.
По словам первого автора работы, младшего научного сотрудника Центра инженерной физики Сколтеха Анастасии Земцовой, все этапы изготовления и испытаний модулятора прошли в Лаборатории плазмоники Сколтеха. Ученые впервые показали работу такого модулятора на постоянном токе и измерили его высокочастотный отклик.
«Уникальный многомодовый дизайн позволил получить экстинкцию при постоянном токе 20,6 дБ для структуры длиной 1,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 1,5 В, что соответствует рекордным значениям — 12,8 дБ/мкм», — сказала Земцова.
Экстинкция показывает, насколько сильно устройство может менять интенсивность светового сигнала. Чем выше этот показатель при малом размере, тем эффективнее модулятор.
В частотном режиме ученые измерили коэффициент экстинкции 2,48 дБ при частоте модуляции 10 МГц. При частоте 1 ГГц показатель составил 1,25 дБ. Эти значения получили для модулятора длиной 3,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 2 В.
«Уникальная особенность структуры — в возможности гибкой настройки. Один и тот же модулятор может быть амплитудным, фазовым или даже комбинировать эти режимы», — рассказал научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Даниил Земцов.
По его словам, в 2023 году команда уже показала одномодовый модулятор с полосой более 40 ГГц. Новый многомодовый режим вывел устройство на следующий уровень, потому что позволил совместить компактность, гибкую настройку и балансный выход.
Еще одно преимущество разработки — возможность настройки после изготовления. Исследователи могут менять положение подводящего и отводящего оптического волокна относительно поверхности чипа. За счет этого меняется вклад разных мод и характеристики модуляции. Такая настройка упрощает калибровку устройства.
Авторы считают, что разработка может стать основой для более компактных фотонных интегральных схем. Такие чипы нужны для высокоскоростной связи, когерентных систем передачи данных и обработки сигналов, где важны малый размер, низкий шум и точное управление светом.
«Практическая значимость работы заключается в возможности создания компактных фотонных интегральных схем для систем обработки сигналов с балансным детектированием», — приводятся в сообщении слова профессора Владимира Драчева, директора Центра инженерной физики Сколтеха и научного руководителя исследования.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Light: Advanced Manufacturing.
Модулятор — это устройство, которое меняет свойства светового сигнала. Проще говоря, он помогает «записывать» информацию в световой поток. Такие элементы нужны в фотонных чипах, где вместо электрических сигналов все чаще используют оптические. Это важно для быстрых линий связи, вычислений и обработки данных.
Новая разработка Сколтеха основана на кремниевой фотонике и плазмонике. В устройстве используют кремниевый волновод шириной 7 микрометров и толщиной 220 нанометров. Волновод — это микроскопическая «дорожка», по которой идет свет. Также в модуляторе есть слой прозрачного проводящего оксида индия и олова.
Когда на устройство подают напряжение, на границе оксида и изолирующего слоя диоксида кремния меняется концентрация электронов. Этот активный слой имеет толщину около 2 нанометров. Из-за этого меняются показатель преломления и поглощение материала. В результате устройство управляет проходящим светом.
Главное отличие разработки — многомодовый режим работы. В широком волноводе могут одновременно идти несколько световых мод. Они взаимодействуют друг с другом, и за счет этого ученые могут получать разные типы модуляции: амплитудную, фазовую или смешанную.
На выходе устройство формирует два пространственно разделенных сигнала. Они сдвинуты по фазе на 180 градусов. Такой балансный выход важен для систем, где нужно подавить шум и усилить полезный сигнал.
Обычно для похожей задачи используют интерферометр Маха — Цендера длиной в несколько миллиметров. Разработка Сколтеха выполняет ту же функцию в одном волноводе длиной всего несколько микрометров. Это резко уменьшает размер элемента и упрощает его встраивание в фотонный чип.
«Обычно для этого используется интерферометр Маха — Цендера длиной в несколько миллиметров. Предложенное нами устройство длиной в несколько микрометров выполняет ту же функцию в одном волноводе, что значительно сокращает размеры и упрощает интеграцию», — отметил Драчев.
По словам первого автора работы, младшего научного сотрудника Центра инженерной физики Сколтеха Анастасии Земцовой, все этапы изготовления и испытаний модулятора прошли в Лаборатории плазмоники Сколтеха. Ученые впервые показали работу такого модулятора на постоянном токе и измерили его высокочастотный отклик.
«Уникальный многомодовый дизайн позволил получить экстинкцию при постоянном токе 20,6 дБ для структуры длиной 1,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 1,5 В, что соответствует рекордным значениям — 12,8 дБ/мкм», — сказала Земцова.
Экстинкция показывает, насколько сильно устройство может менять интенсивность светового сигнала. Чем выше этот показатель при малом размере, тем эффективнее модулятор.
В частотном режиме ученые измерили коэффициент экстинкции 2,48 дБ при частоте модуляции 10 МГц. При частоте 1 ГГц показатель составил 1,25 дБ. Эти значения получили для модулятора длиной 3,6 мкм в диапазоне напряжений от -2 до 2 В.
«Уникальная особенность структуры — в возможности гибкой настройки. Один и тот же модулятор может быть амплитудным, фазовым или даже комбинировать эти режимы», — рассказал научный сотрудник Центра инженерной физики Сколтеха Даниил Земцов.
По его словам, в 2023 году команда уже показала одномодовый модулятор с полосой более 40 ГГц. Новый многомодовый режим вывел устройство на следующий уровень, потому что позволил совместить компактность, гибкую настройку и балансный выход.
Еще одно преимущество разработки — возможность настройки после изготовления. Исследователи могут менять положение подводящего и отводящего оптического волокна относительно поверхности чипа. За счет этого меняется вклад разных мод и характеристики модуляции. Такая настройка упрощает калибровку устройства.
Авторы считают, что разработка может стать основой для более компактных фотонных интегральных схем. Такие чипы нужны для высокоскоростной связи, когерентных систем передачи данных и обработки сигналов, где важны малый размер, низкий шум и точное управление светом.
