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42.modulador electroóptico de 7 Gbit/S en tecnología de silicio

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42.modulador electroóptico de 7 Gbit/S en tecnología de silicio

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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 seguirá aumentando a medida que se reduzca el tamaño mínimo de las características [1]. Sin embargo, el ancho de banda de los moduladores actuales basados en silicio es limitado. El silicio no posee una χ(2)-no linealidad debido a su estructura cristalina centro-simétrica. El uso de silicio tenso ya ha dado lugar a resultados interesantes [2], pero las no linealidades aún no permiten obtener dispositivos prácticos. Por tanto, los moduladores fotónicos de silicio más avanzados siguen dependiendo de la dispersión de portadora libre en uniones pn o pin [3-5]. Se ha demostrado que las uniones polarizadas hacia delante 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. Aún así, se han generado velocidades de datos de 10 Gbit/s con la ayuda de una preénfasis de la señal eléctrica [4]. Utilizando en su lugar uniones en polarización inversa, el ancho de banda se ha incrementado a unos 30 GHz [5,6], pero el producto voltaje-longitud se elevó a VπL = 40 V mm. Desgraciadamente, estos moduladores de fase de efecto plasma producen también una modulación de intensidad no deseada [7], y responden de forma no lineal a la tensión aplicada. Los formatos de modulación avanzados como QAM requieren, sin embargo, una respuesta lineal y una modulación de fase pura, por lo que la explotación del efecto electro-óptico (efecto Pockels [8]) es particularmente deseable.

2. Enfoque SOH

Recientemente se ha propuesto el enfoque híbrido silicio-orgánico (SOH) [9-12]. En la Fig. 1(a) se muestra un ejemplo de modulador SOH. 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 están situados fuera del campo modal óptico para evitar pérdidas ópticas [13], Fig. 1(b). El dispositivo está recubierto con un material orgánico electro-óptico que rellena uniformemente la ranura. La tensión moduladora es transportada por la guía de ondas eléctrica metálica y cae a través de la ranura gracias a las tiras de silicio conductoras. El campo eléctrico resultante modifica el índice de refracción de la ranura mediante un efecto electroóptico ultrarrápido. Como la ranura tiene una anchura del orden de 100 nm, bastan unos pocos voltios para generar campos moduladores muy intensos, del orden de magnitud de la rigidez dieléctrica de la mayoría de los materiales. La estructura tiene 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 funcionamiento por debajo del voltaje [11], y se ha demostrado la modulación sinusoidal hasta 40 GHz [15,16]. Sin embargo, el reto a la hora de construir moduladores SOH de alta velocidad y bajo voltaje es crear una banda de conexión altamente conductora. En un circuito equivalente, la ranura puede representarse por un condensador C y las bandas conductoras por 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]. Aunque el dopado aumenta la conductividad de las tiras de silicio (y, por lo tanto, aumenta las pérdidas ópticas), se paga 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.