ﻃﺮاﺣﯽ و ﺑﻬﯿﻨﻪﺳﺎزي ﺳﺎﺧﺘﺎر ﻣﺪوﻻﺗﻮر ﭘﻼﺳﻤﻮﻧﯿﮑﯽ ﻣﺒﺘﻨﯽ ﺑﺮ ﻣﺎده ﻓﻌﺎل ITO و ﮔﺮاﻓﻦ

Designing and Optimization of Plasmonic Modulator Structure Based on the Active Materials of ITO and Graphene

در يك دهه اخير مدارهاي مجتمع نوري مانند مدولاتورها، پيشرفت چشم­گيري در زمينه‌هاي مختلف مانند مخابرات نوري، تصويربرداري و سنسور داشته‌اند. از ميان مواد فعال مورد استفاده در مدولاتورها، گرافن و اكسيد قلع آلاييده با اينديم (ITO) بهسبب ويژگي اپسيلون نزديك به صفر (ENZ)، سرعت و پاسخدهي قابل توجه كه دارند، يكي از گزينه‌هاي مناسب در بين مواد فعال براي عمل مدولاسيون است. در اين مقاله، با اعمال تزويج مستقيم نور به طراحي ساختار مدولاتور پلاسمونيكي در حالت سه بعدي پرداخته شده است. با تغييرات ضخامت لايه‌هاي ITO، اكسيد هافنيوم (HfO2) و عرض موج­بر ساختار بهينه شده كه ضخامت‌هاي بهينه 3 نانومتر براي لايه ITO، 5 نانومتر براي HfO2 و 280 نانومتر براي عرض موج­بر به­دست آمده است. نتايج شبيهسازي‌هاي سه بعدي اين مقاله همراه با تزويج مناسب نشان داده شده كه تلفات الحاقي در حالت سه بعدي نسبت به دو بعدي تغيير پيدا نكرده و پارامتر نسبت خاموشي مدولاتور اندكي كاهش يافته است. از سويي تزويج مناسب و بهينه، تاثيري در انرژي مصرفي نداشته است. نتايج شبيهسازي‌هاي سه بعدي نشان دهنده اين است كه مدولاتور پلاسمونيكي مي‌تواند براي طول 1 ميكرومتر مدولاتور، در ولتاژ 5 / 0 ولت و طول موج 55 / 1 ميكرومتر به نسبت تمايز 9 / 13 دسيبل، تلفات الحاقي 9 / 2 دسيبل، سرعت مدولاسيون 9 / 140 گيگاهرتز و مصرف انرژي بسيار كم 5 / 1 فمتو ژول بر بيت دست پيدا كند و نشان دهنده كاهش قابل توجه در مصرف انرژي و بهبود نسبت تمايز نسبت به مدولاتورهاي مشابه پيشين است. همچنين در طول 2 ميكرومتر مدولاتور، نسبت تمايز 76 / 27 دسيبل، تلفات الحاقي 68 / 5 دسيبل، سرعت مدولاسيون 14 / 70 گيگاهرتز و مصرف انرژي برابر با 88 / 2 فمتو ژول بر بيت بهدست آمده است.

In the last decade, optical integrated circuits, including modulators, have made significant progress in optical communications, imaging, and sensors. Among the active materials used in modulators, graphene and indium tin oxide (ITO) are some of the suitable options among the active materials for modulation action due to their epsilon-near-zero (ENZ) characteristics, speed, and considerable response. In this paper, by applying direct coupling of light, the structure of plasmonic modulator in three-dimensional mode has been designed. an‎d by changing the thickness of ITO, HfO2 (hafnium oxide) layers and waveguide width, the structure is optimized. Optimization thickness of 3 nm for ITO, 5nm for HfO2 and 280nm for waveguide width is achieved. The results of three-dimensional simulations of this paper with appropriate coupling show that the insertion loss (IL) of three-dimensional mode have not changed and the extinction ratio (ER) of the modulator has been slightly reduced in comparison with two-dimensional mode . On the other hand, appropriate and optimal coupling has no effect on energy consumption.Three-dimensional results show that the proposed plasmonic modulator can achieve an extinction ratio of 13.9 dB, an insertion loss of 2.9 dB, modulation speed of 140.9 GHz and a very low power consumption of 1.51 fj/bit for a 1μm length of the modulator, at 0.5 V voltage and a wavelength of 1.55 μm. Our design demonstrates a considerable reduction in energy consumption and improvement in extinction ratio compared to previous works. Also, for a 2 μm length of the modulator, an extinction ratio of 27.76 dB, an insertion loss of 5.68 dB, modulation speed of 70.14 GHz and power consumption of 2.88 fj/bit is achieved.