ANÁLISE DE UMA ESTRUTURA DE MÚLTIPLAS CAMADAS RECONFIGURÁVEL E SINTONIZÁVEL PARA OPERAÇÃO COMO MODULADOR/POLARIZADOR COMPATÍVEL COM TECNOLOGIA CMOS

Abstract

The growing need for high capacity optical systems, as well as the need to miniaturize the devices, has led to an increasing interest on the field of integrated photonic devices. In this context, the present thesis aims to present a proposal for a versatile, CMOS-compatible, silicon photonics structure using graphene, which is capable of operating as an electroabsorption modulator and a TE-pass polarizer at 1310 and 1550 nm wavelengths, depending on the chemical potential applied to graphene. Along the work, concepts about multilayer waveguides with and without losses and with metallic thin films are presented. In this context, effects that appear in this kind of structure, such as LMR (Lossy Mode Resonance) and SPR (Surface Plasmon Resonance) and the conditions for its appearing are discussed. In addition, graphene electrical and optical properties and its modelling as an isotropic or anisotropic material are discussed. These concepts are brought together and used to analyze a multiplayer waveguide structure using graphene and that has its dimensions optimized to operate as a modulator and a TE-pass polarizer at the 1310 and 1550 nm wavelengths simultaneously. In the operation as a modulator, it was possible to obtain a figure of merit (ER/IL – Extinction Ratio/Insertion Loss) of the order of 30 (1310 nm wavelength, TE mode). For the TE-pass polarizer it was possible to obtain figures of merit higher than 40 (at 1310 nm wavelength). Lastly, the dimension of the structure was tinkered with in order to design a single structure for operation at both modes simultaneously. By varying the silicon core thickness, it is possible to attain figures of merit higher than 20 for the single structure, with a maximum penalty lower than 10% when compared to the structures individually optimized for operation as TE-pass polarizer or modulator.

A crescente demanda por sistemas óticos de alta capacidade, bem como a necessidade de miniaturização dos dispositivos levou a um crescente interesse nos últimos anos acerca dos dispositivos óticos integrados. Neste contexto, a presente tese tem por objetivo apresentar uma proposta de estrutura versátil, compatível com o processo de fabricação CMOS e de fotônica em silício empregando grafeno, capaz de operar como modulador por eletroabsorção e polarizador passa-TE nos comprimentos de onda de 1310 e 1550 nm, dependendo do potencial químico aplicado ao grafeno. Ao longo do trabalho são apresentados conceitos acerca de guias de onda de múltiplas camadas com e sem perdas e envolvendo filmes metálicos. Neste contexto, são discutidos efeitos presentes neste tipo de estrutura e suas condições de aparecimento, como LMR (Lossy Mode Resonance) e SPR (Surface Plasmon Resonance). Ainda, são discutidas as propriedades elétricas e óticas do grafeno e sua modelagem como um material isotrópico ou anisotrópico. Estes conceitos são utilizados na análise de uma estrutura de múltiplas camadas empregando grafeno e que tem suas dimensões otimizadas para atuar simultaneamente como modulador e polarizador passa-TE nos comprimentos de onda de 1310 e 1550 nm. Na operação como modulador foram obtidas figuras de mérito (ER/IL – Razão de extinção/Perda de inserção) da ordem de 30 (para 1310 nm, no modo TE). Para o polarizador passa-TE, foi possível obter uma figura de mérito maior do que 40 (para 1310 nm). Por fim, a estrutura foi dimensionada de modo a obter uma estrutura única para operação nos dois modos (modulador e polarizador) simultaneamente. Ao variar-se a espessura do núcleo da estrutura de modo a otimizar o funcionamento da mesma, foi possível obter figuras de mérito maiores do que 20 para a estrutura única, com uma penalidade máxima inferior a 10% quando comparada com os casos das estruturas otimizadas para operação individual como polarizador passa-TE ou modulador.