基于近零介电常数氧化铟锡的偏振不敏感等离子体电吸收调制器

摘要

全CMOS兼容的片上电信波段等离子体调制器是下一代光子集成电路（PICs）关键。现有设计通常仅响应单一横磁（TM）模式，与传输随机偏振光的标准光纤链路集成时产生巨大偏振相关损耗。我们提出包覆硅波导的金属氧化物/氧化铟锡（ITO）堆叠等离子体调制器。通过电偏置MOS电容器，ITO/氧化物界面载流子累积将场推入近零介电常数（ENZ）模式——取决于输入偏振位于顶部或侧壁。这种高度局域ENZ模式在“关”态产生强电吸收，对垂直和水平偏振均产生大消光比（ER)。精心调节两正交方向氧化层厚度对齐ER值，实现ΔER低至0.01 dB/μm，同时在1.55 μm保持>74%耦合效率。器件提供稳健偏振不敏感调制，适合遇随机偏振态的光纤耦合PICs。

研究背景

光子集成电路在光通信、传感、成像应用驱动下快速发展。缩小器件占地和功耗是未来高速片上互联首要目标。硅波导调制器传统依赖改变材料折射率或吸收；但硅弱等离子体色散效应和常规波导衍射极限导致马赫-曾德尔干涉仪占地大（≈10³-10⁴ μm²），高Q谐振环形调制器虽紧凑但受限带宽和温度敏感。

等离子体学提供亚衍射极限微型化路径。近期探索CMOS兼容槽波导调制器和以硅为活性介质等离子体结构，但性能仍受限于硅微弱载流子色散。透明导电氧化物（TCOs）如氧化铟锡（ITO）、铝锌氧、镓锌氧提供有力替代，因其介电常数可电调控。偏压下ITO层载流子累积可产生折射率变化Δn=0.092和吸收变化Δk=0.27（1310 nm），当介电常数实部接近零——即近零介电常数（ENZ）态——因极端场限域吸收峰值化。

先前等离子体调制器主要仅支持TM模式，因表面电荷产生需垂直金属-介质界面电场，槽波导将TE模式限域在低折射率区。光纤系统中入射光随机偏振导致显著偏振相关损耗，除非添加偏振分集元件（如旋转器），但通常引入额外耦合损耗。虽有ITO基设计支持TE/TM双模式，消光比差（ΔER）仍达0.9 dB/μm，对应4%效率损失。因此需ΔER最小同时保持高消光比低插入损耗的等离子体调制器实现偏振不敏感PICs。

本研究数值模拟包覆Au/SiO₂/ITO多层硅波导。混合表面等离子体极化子（HSPP）模式在低折射率SiO₂/ITO界面激发，随输入偏振位于顶部或侧壁。通过MOS电容器调节ITO层载流子浓度，演示消光比超1.43 dB/μm且ΔER低于0.01 dB/μm，创纪录低值显著降低偏振相关损耗。

材料与方法

采用ITO为活性材料，利用其强载流子累积响应实现高速电吸收。ITO介电常数用Drude模型描述：

ε = ε_∞ - (N_ITOe²)/(ε₀m*) · 1/(ω² + iωΓ)

其中ε_∞高频介电常数，Γ电子阻尼因子，ω角频率，N_ITO电子浓度，m*有效质量，e元电荷，ε₀真空介电常数。电子密度在ITO/氧化物界面峰值并随距离快速衰减，确保累积层强场限域。

为支持TE和TM模式，波导包含两正交金属-介质界面。提议结构含硅核心（宽W_Si，高H_Si）、ITO层（厚D_ITO）、SiO₂中间层（宽W_p，高H_p）、100 nm Au包层。标准电子束光刻、DRIE、PLD、PECVD制造，兼容CMOS后端工艺。混合等离子体模式在SiO₂和ITO间低折射率区传播，最小化插入损耗同时保持与活性层强场重叠。

采用非均匀FDTD网格，最小单元0.2 nm，完美匹配层（PML）抑制反射。模拟波长1.55 μm，折射率n_Si=3.48，n_SiO₂=1.44，Au介电常数-116.62+11.46i。MIS波导支持双偏振且传播常数差异最小，实现高效调制。

结果与讨论

Fig. 3展示TE和TM模式低偏压（"开"）和高偏压（"关"）条件下电场分布。开态TE场集中SiO₂层侧壁，TM场驻留SiO₂顶部。关态载流子密度增加降低ITO介电常数实部，将场拉入累积层增强吸收。该位移在ENZ点峰值化，最大化关态损耗。

消光比（ER）和插入损耗（IL）定义为：

ER = P_out(V_OFF)/P_out(V_ON)

IL = (P_in-P_out(V_ON))/P_in

传播损耗α由有效指数虚部计算：α=4πκ/λ。α主要由累积层吸收决定，受SiO₂尺寸影响。Fig. 4显示增大W_p减少导引模式与累积层重叠，降低ER，而ΔER在W_p略大于H_p时达最小值。

Fig. 5探究不同N_ITO下ER和ΔER波长依赖。两指标在ENZ点附近峰值后下降。N_ITO=6.0×10²⁰ cm⁻³时，最大ER分别为1.65 dB/μm（TE）和1.56 dB/μm（TM），在1.50 μm；ΔER在工作波长1.55 μm达最小0.009 dB/μm——理想偏振不敏感器件。

增加N_ITO增强吸收至ENZ点，超过后进一步载流子增加κ降低ER。Fig. 6确认ER在ENZ值附近峰值，ΔER保持<0.01 dB/μm，展现强偏振免疫力。

评估实际性能，模拟14 μm长调制器，1.55 μm光TE/TM偏振激发。Fig. 7a-d显示开/关态横向电场和磁场分布，确认ΔER=0.009 dB/μm平衡器件长度上输出强度。

通过改变Si波导宽度评估等离子体波导与硅条波导耦合效率。Fig. 8显示双偏振耦合效率（CE）。模式失配引入反射光，但最佳宽度处ΔCE<6%，开态TE和TM分别达80.46%和74.83% CE。

结论

通过详细模拟演示本征偏振不敏感电吸收调制器。在x和y方向集成混合等离子体波导，器件支持双偏振模式并形成MOS电容器在介质-ITO界面诱导载流子累积。调节载流子密度在1.55 μm实现仅0.009 dB/μm消光比差，创纪录低值消除偏振相关损耗。硅馈源波导实现TE/TM双偏振>74%耦合效率。这些基于ITO等离子体调制器代表高性能PICs紧凑CMOS兼容构建模块。未来工作将优化非对称涂层几何提高制造容差而不牺牲性能。