Νανοφωτονικοί διαμορφωτές τεχνολογίας πυριτίου με έλεγχο φορέων υπό την επίδραση πεδίου
Authors: Σινάτκας Γεώργιος 
Published: April 2022

Η διατριβή εντάσσεται στην ευρύτερη περιοχή της νανοφωτονικής τεχνολογίας και των οπτικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το αντικείμενο εξειδικεύεται στη σχεδίαση ηλεκτρο-οπτικών διαμορφωτών που στηρίζονται σε φαινόμενα ελεύθερων φορέων σε αγώγιμα διαφανή οξείδια, αξιοποιώντας το φαινόμενο της σχεδόν μηδενικής διηλεκτρικής σταθεράς που αυτά υποστηρίζουν στην κοντινή υπέρυθρη περιοχή. Η σχεδίαση πραγματοποιείται σε ώριμες πλατφόρμες κυματοδήγησης της φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου, οι οποίες επικαλύπτονται με ένα λεπτό υμένιο αγώγιμου διαφανούς οξειδίου (ITO), παρεμβάλλοντας ενδιάμεσα ένα οξείδιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (HfO2). Η διαμόρφωση του οδηγούμενου κύματος επιτυγχάνεται με μεταβολή στη συγκέντρωση των φορέων του αγώγιμου διαφανούς οξειδίου υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Το φαινόμενο επίδρασης πεδίου περιγράφεται μέσω του μοντέλου ολίσθησης-διάχυσης, το οποίο προκύπτει από τη θεωρία ημιαγωγών στα πλαίσια ρεαλιστικών παραδοχών. Το μοντέλο είναι σε θέση να περιγράψει με αυστηρό και συνεπή τρόπο επαφές υψηλής ετερογένειας τόσο σε μόνιμη κατάσταση όσο και σε συνθήκες εκτός ισορροπίας. Η αντιστοίχιση των μεταβολών σε μικροσκοπικό επίπεδο σε μακροσκοπικά μεγέθη των υλικών γίνεται με χρήση μοντέλων διηλεκτρικής σταθεράς που αντιστοιχίζουν τις μεταβολές στη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων σε μεταβολές των οπτικών ιδιοτήτων τους. Η διαμορφωμένη διηλεκτρική σταθερά εισάγεται, στη συνέχεια, σε συμβατικά εργαλεία ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης για τον υπολογισμό της απόκρισης των διατάξεων σε συνάρτηση με τις μεταβολές στη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων. Ξεκινώντας από διατάξεις με αρχιτεκτονική ευθύγραμμου κυματοδηγού, σχεδιάζονται διαμορφωτές με οξείδιο ITO και φυσικά συστήματα δύο από τους δημοφιλέστερους εκπροσώπους της φωτονικής τεχνολογίας, τον κυματοδηγό ταινίας πυριτίου (Si-wire) και τον κυματοδηγό εγκοπής πυριτίου (Si-slot). Παρουσιάζονται σχήματα δυαδικής διαμόρφωσης με μετατόπιση πλάτους/φάσης (BASK/BPSK), καθώς και διαμόρφωσης φάσης με ορθογωνισμό (QPSK) σε λειτουργία τόσο εγκάρσιας ηλεκτρικής όσο και μαγνητικής πόλωσης. Ο έλεγχος της συγκέντρωσης των ελεύθερων φορέων στο οξείδιο ΙΤΟ επιτυγχάνεται με εφαρμογή του σήματος διαμόρφωσης στην επαφή n-Si/HfO2/ITO. Οι διαμορφωτές πλάτους απαιτούν μήκη μόνο λίγων μικρομέτρων για την επίτευξη λόγου εξάλειψης ίσου με 10 dB, εισάγοντας παράλληλα εξαιρετικά χαμηλές απώλειες. Επίσης, χαρακτηρίζονται από εύρος ζώνης μεγαλύτερο των 100 GHz, ενώ η κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται μικρότερη του pJ/bit. Ο υπολογισμός της κατανάλωσης στηρίζεται σε αυστηρές μεθόδους, οι οποίες είναι σύμφωνες με τη φυσική του μηχανισμού ελέγχου, ενώ αποκαλύπτουν και τη γενικότερη τάση υποεκτίμησης της κατανάλωσης που υπάρχει στη βιβλιογραφία. Όμοια, οι διαμορφωτές φάσης με αγώγιμα διαφανή οξείδια εμφανίζονται σημαντικά πιο συμπαγείς (compact) των αντίστοιχων της βιβλιογραφίας, με απώλειες εισαγωγής στην περιοχή του 1 dB/rad και εύρος ζώνης περίπου ίσο με 50 GHz. Η κατανάλωση ενέργειας υπολογίζεται στην κλίμακα του pJ/bit. Οι προτεινόμενοι διαμορφωτές συγκρίνονται με αντίστοιχους που αξιοποιούν επίσης φαινόμενα ελεύθερων φορέων, αλλά στο γραφένιο, οι οποίοι κυριαρχούν στη βιβλιογραφία των τελευταίων ετών λόγω των εντυπωσιακών επιδόσεών τους. Για την εξασφάλιση δίκαιης σύγκρισης, η διατριβή προχωρά στη σχεδίαση βέλτιστων διαμορφωτών με γραφένιο, αξιοποιώντας το ίδιο φυσικό σύστημα και τις ίδιες φυσικές αρχές περιγραφής των υποκείμενων φαινομένων. Η σύγκριση γίνεται με αναφορά στο δυαδικό σχήμα διαμόρφωσης με μετατόπιση πλάτους, ενώ επεκτείνεται και σε διατάξεις με συντονιστή τύπου δακτυλίου, όπου η διαμόρφωση επιτυγχάνεται με έλεγχο των συνθηκών σύζευξης μεταξύ ενός συντονιστή δακτυλίου και ενός πλάγια συζευγμένου κυματοδηγού, μεταβάλλοντας τον ενδογενή συντελεστή ποιότητας του συντονιστή. Εξασφαλίζοντας συνθήκες κρίσιμης σύζευξης, ο λόγος εξάλειψης προκύπτει (θεωρητικά) άπειρος, ενώ οι απώλειες εισαγωγής υπολογίζονται εξαιρετικά χαμηλές. Η κατανάλωση ενέργειας εκτιμάται στην περιοχή του pJ/bit ή χαμηλότερα, σημαντικά μειωμένη σε σύγκριση με την αντίστοιχη των διαμορφωτών ευθύγραμμου κυματοδηγού. Ακόμα, το εύρος ζώνης υπερβαίνει την τιμή των 100 GHz. Οι επιδόσεις των διαμορφωτών με αγώγιμα διαφανή οξείδια και των διαμορφωτών με γραφένιο, σε αρχιτεκτονική ευθύγραμμου κυματοδηγού, αλλά και με συντονιστή, ανταγωνίζονται ευθέως ή υπερβαίνουν τις αντίστοιχες διαμορφωτών στην αιχμή της τεχνολογίας και είναι συμβατές με τις απαιτήσεις των οπτικών συστημάτων της επόμενης γενιάς. Ωστόσο, καμία από τις δύο τεχνολογίες δεν επικρατεί της άλλης σε όλους τους επιμέρους δείκτες επίδοσης, με την κατασκευαστική ευκολία να αποτελεί ακόμα μία ελεύθερη παράμετρο προς εξέταση. Συμπερασματικά, η χρήση των αγώγιμων διαφανών οξειδίων στη σχεδίαση ηλεκτρο-οπτικών διαμορφωτών αποτελεί μία ερευνητική κατεύθυνση με αξιόλογη δυναμική. Η έρευνα της παρούσας διατριβής συνεισφέρει σημαντικά, προτείνοντας διαμορφωτές με εξαιρετικά υψηλές επιδόσεις, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μικρομετρικά μήκη, υψηλούς λόγους εξάλειψης, χαμηλές απώλειες εισαγωγής, κατανάλωση ενέργειας μικρότερη του pJ/bit, καθώς και εντυπωσιακές τιμές εύρους ζώνης (> 100 GHz). Επισημαίνονται εσφαλμένες αντιλήψεις που επικρατούν στη βιβλιογραφία και εισάγεται ένα αυστηρό υπολογιστικό πλαίσιο για τη φυσικά συνεπή περιγραφή των φαινομένων σε μικροσκοπικό επίπεδο, το οποίο μπορεί να βρει καθολική εφαρμογή στη σχεδίαση ηλεκτρο-οπτικών διαμορφωτών που στηρίζονται σε φαινόμενα ελεύθερων φορέων.