在等離子體電子學領域，透過設計巧妙的局域等離激元共振等模式，充分利用光的極端約束，能夠實現在幾微米尺度上高效的振幅和相位調製。與微納尺度電極的高效整合不僅為器件微型化提供更多機會，還進一步提升了能量利用效率。
然而，通常情況下，快速但小尺度的等離子體調製器在工作狀態下存在較大的損耗，達到1 dB/μm量級。由於與期望的等離子體模式的耦合效率較低，調製器插入損耗（IL）水平可高達10 dB。
最近，基於透明導電氧化物（ITO）等材料的等離子體調製器引起了研究人員的廣泛關注。在假設均勻載流子積聚的情況下，ITO薄膜在柵極偏壓下觀察到折射率的均勻變化，從而有望減小調製器的尺寸。然而，目前的研究中其折射率變化只能發生在幾奈米厚的區域性誘導積聚層內。積聚層與等離子體模式橫截面之間微小的重疊需要延長器件長度以獲得合理的消光比（ER）水平，這不可避免地導致顯著的IL。
因此，仍然需要一種緊湊、低功耗的調製器設計，能夠避免嚴格的ER-IL權衡，更好地利用ITO等薄膜光學材料的可調特性，並支援不同的調製型別。
為解決這一問題，多倫多大學研究者成功設計了一種創新的等離子體電子學調製器，為光通訊領域帶來了新的可能性。這項研究突破了傳統等離子體調製器的限制，透過巧妙地整合SiO?/ITO異質介面到金屬-絕緣體-半導體（MIS）電光結構中，實現了更小巧、更高效的調製器。
該工作以題為「Facile integration of electro-optic SiO2/ITO heterointerfaces in MIS structures for CMOS-compatible plasmonic waveguide modulation」於近期發表在Light: Advanced Manufacturing。
如圖1a所示，該研究採用了完全相容互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）前端線（FEOL）要求的工藝，製備了一種Si整合的MIS器件。這種器件利用SiO?/ITO異質介面和聚晶鈦氮化物（聚TiN）導電模板，透過金屬-絕緣體-半導體-金屬（MISM）異質結電容器的形式，成功實現了電光調製功能。聚TiN模板作為底部電極，不僅具有導電效能，還具備防擴散和耐高溫的金屬特性。這種設計不僅為調製器的緊湊設計提供了可能性，還克服了以往由於等離子體模式匹配問題導致的高損耗。
圖1：a. 矽基的金屬-絕緣體-半導體-金屬結構。b. 基於SiO2/ITO的多層結構的混合等離子體波導。
此外，研究團隊還演示了另一種MIS器件（圖1b），該器件包括一個半導體ITO層和SiO?介電質隔層，形成了一個耦合混合等離子體波導（CHPW）調製器。透過使用梯度折射率層（GIL）模型進行實驗驗證，研究人員成功預測了ITO薄膜在偏置條件下的累積層寬度。這一設計實現了振幅、相位或4象限振幅調製的動態重配置，並在10微米長的CHPW調製器中展現出了驚人的效能，包括約1 dB/µm的消光比和0.128 dB/µm的插入損耗（圖2）。圖3和圖4展示了這兩種器件的製備工藝流程。詳細可見原文補充材料。
圖2：耦合的混合等離子體波導的插入損耗和耦合效率隨波長的關係。
圖3：矽基的金屬-絕緣體-半導體-金屬結構的製備流程示意圖。
圖4. 基於SiO?/ITO的多層結構的混合等離子體波導的流程圖和電鏡圖。
總體而言，這項創新的研究透過採用最佳化的金屬接觸層設計，最小化了電學損失，為光通訊領域提供了一種既緊湊又低功耗的調製器設計。該研究團隊克服了ER（消光比）和IL（插入損耗）之間的傳統權衡，將為光通訊裝置的精簡和高效提供了新的思路，將有望在振幅、相位或四象限振幅調製等得到廣泛應用。
該研究的聯合作者Sherif Nasif評論說：「我們對該技術的潛在應用感到非常興奮。我們設想未來等離子體波導在諸如電信、醫療保健和製造等廣泛行業中發揮關鍵作用。」
相關論文資訊：https://doi.org/10.37188/lam.2023.038