Onderzoekers van de Universiteit van Toronto, onder leiding van Dr. Amr S. Helmy, hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het integreren van elektro-optische SiO2/ITO heterointerfaces in metaal–isolator–halfgeleider (MIS)-structuren. Deze doorbraak zal naar verwachting leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere en compactere fotonische apparaten.
"Onze aanpak luidt de ontwikkeling in van CMOS-compatibele plasmonische golfgeleidermodulatoren", zegt Dr. Nasir Alfaraj, hoofdauteur van de studie en een KAUST Ibn Rush postdoctoraal fellow aan de Universiteit van Toronto. “Dit zal een diepgaande impact hebben op een breed scala aan toepassingen, waaronder telecommunicatie, gegevensopslag en medische beeldvorming.”
De nieuwe methode omvat het laten groeien van een dunne laag silica (SiO2) bovenop ITO. Hierdoor ontstaat een heterointerface die aanzienlijke lichtbeperking en elektro-optische modulatie mogelijk maakt.
“De SiO2/ITO heterointerface, samen met de integratie van een Schottky Al/SiO2 junctie en MIS-stack, is een sleutelcomponent van ons optische golfgeleiderapparaat”, legt Dr. Helmy uit, de hoofdonderzoeker achter dit onderzoek. “Het stelt ons in staat de optische eigenschappen van de ITO-laag af te stemmen met behulp van een elektrisch veld.”
In hun artikel gepubliceerd in Licht: geavanceerde productieDemonstreerden onderzoekers van het Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical & Computer Engineering aan de Universiteit van Toronto de effectiviteit van hun nieuwe methode door twee MIS-apparaten te vervaardigen. Het eerste apparaat maakte gebruik van een SiO2/ITO-heterostructuur gegroeid op dun polykristallijn titaniumnitride (poly-TiN) en afgedekt aan de ITO-zijde met een aluminium (Al) dunne filmcontactelektrode. Het tweede apparaat is een optische golfgeleider met een halfgeleidende ITO-laag met een SiO2 diëlektrische afstandhouder geïmplementeerd op een silicium-op-isolator (SOI) platform.
Dr. Charles Chih-Chin Lin, een van de co-auteurs van de studie, merkte op: “Dit onderzoek markeert een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van plasmonics. Wij geloven dat dit het potentieel heeft om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we fotonische apparaten ontwerpen en fabriceren.”
Dr. Swati Rajput, een andere co-auteur van het onderzoek, voegde hieraan toe: “De ontwikkeling van CMOS-compatibele plasmonische golfgeleiders is een cruciale stap in de richting van het realiseren van de volgende generatie optische apparaten. Ons onderzoek biedt een veelbelovend traject om dit doel te bereiken.”
Sherif Nasif, een derde co-auteur van het onderzoek, merkte op: “We zijn enthousiast over de mogelijke toepassingen van dit onderzoek. technologie. We stellen ons een toekomst voor waarin plasmonische golfgeleiders een cruciale rol spelen in een breed scala van industrieën, waaronder telecommunicatie, gezondheidszorg en productie.”
De nieuwe methode van de onderzoeker overwint de uitdaging van het integreren van plasmonische structuren in CMOS-technologie met behulp van SiO2/ITO-heterointerfaces. ITO is een transparant geleidend oxide dat compatibel is met CMOS-technologie. SiO2 is een diëlektrisch materiaal dat vaak wordt gebruikt in CMOS-apparaten. De SiO2/ITO heterointerface zorgt voor een sterk elektrisch veld dat kan worden gebruikt om de voortplanting van licht in de plasmonische golfgeleider te moduleren.
Beide apparaten vertoonden uitstekende prestaties. De lichtmodulerende golfgeleider had een uitdovingsverhouding (ER) groter dan 1 dB/μm en een invoegverlies (IL) van minder dan 0.13 dB/μm voor een golfgeleiderlengte van 10 µm. Het tweede apparaat bereikte amplitude-, fase- of 4-kwadratuuramplitudemodulatie.
Het onderzoek van het team is een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van CMOS-compatibele plasmonische golfgeleiders. Hun nieuwe methode zal plasmonische golfgeleiders mogelijk praktischer maken voor een overvloed aan toepassingen.
“Onze resultaten tonen het potentieel van SiO aan2/ITO-heterointerfaces voor CMOS-compatibele plasmonische golfgeleidermodulatie”, aldus Dr. Alfaraj. “Wij geloven dat deze technologie kan worden gebruikt om een nieuwe generatie fotonische apparaten te ontwikkelen.”
“We zijn erg enthousiast over het potentieel van deze nieuwe technologie”, aldus Dr. Helmy.