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Apr 09, 2023

ギガヘルツフリー

Volume sulle comunicazioni sulla natura

Nature Communications volume 13、記事番号: 3170 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

電気光学変調器は、センシング、計測、電気通信に不可欠です。 ほとんどのターゲットはファイバー用途です。 その代わりに、ギガヘルツ（GHz）速度で自由空間光を変調するメタサーフェスベースのアーキテクチャは、アクティブ光学、回折コンピューティング、または光電子制御のためのマイクロ波エレクトロニクスによるフラット光学技術を強化することができます。 現在実現されているものはかさばるか、変調効率が低いです。 ここでは、ミー共鳴を利用して GHz 速度で効率的な電気光学変調を実現するハイブリッド シリコン-有機メタサーフェス プラットフォームを実証します。 狭い線幅 (\({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=1594 で Q = 550) を提供する連続体における準限定状態 (BIC) を利用します。 \) nm)、非線形材料への光の閉じ込め、設計と電圧および GHz 速度の電極による調整可能性。 \(\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\) の変調を実現する鍵となるのは、r33 = 100 pm/V の分子と、低電圧に対する光場の最適化です。 -損失。 \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=\) による準 BIC の共振周波数の DC 調整を示します。線幅を超える 11 nm、最大 5 GHz (fEO、−3dB = 3 GHz) の変調。 ガイドモード共鳴は \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=\) 20 nm で調整されます。 当社のハイブリッドプラットフォームは、製造後の活性層の適用により、任意の形状または材料の自由空間ナノ構造を組み込むことができます。

最近、フォトニクス技術は、従来の全電子技術ではなく、高速通信 1 や高性能コンピューティング 2,3 のボトルネックに対処するのに有望視されています。 次世代フォトニックデバイスは光を高速で操作する必要があり、今日のほとんどのデモはファイバーまたはオンチップアプリケーションを対象としています。 あるいは、メタサーフェスは、自由空間光ビームのコンパクトな制御を必要とするアプリケーションに理想的に適しています 4,5 が、そのほとんどは静的です。 アクティブ制御を提供する利用可能な機構の中で 6,7、電気信号によって光場を変調するためにχ(2) 効果を利用するハイブリッド 8 電気光学構造は、速度の点で他の技術よりも優れています。テラヘルツ9、金属電極10、11またはアンテナ構造12を介して適用されます。 現在、有機非線形分子 13、チタン酸バリウム 14、ニオブ酸リチウム 15 などのいくつかの材料プラットフォームが利用可能であり、これらは分子工学 16、成長 17、製造および安定性 18 の進歩から恩恵を受けています。 一般に、低い光損失と高い変調効率は幅広いアプリケーションにとって重要であり、特に量子アプリケーションにとって重要です 19,20。

サブ波長共振器からの超薄型電気光学変調器は、自由空間光通信リンク 21、コヒーレントレーザー測距、能動光学部品 22、高度速度空間光変調器23、24、および自由空間エミッターのアクティブ制御25。 メタサーフェスなどの平面光学コンポーネント 26、27 は、自由空間からメタサーフェスに入射するビームの特性を変化させるサブ波長サイズのナノ構造に依存しており、単一ピクセルを超えた空間多重化のニーズに対処するのに理想的です。 使用される変調メカニズムの観点から、メタ表面については、液晶へのメタ表面の浸漬 28、イプシロンに近いゼロ材料、相変化材料 29、30、31、半導体ヘテロ構造 32 またはフェムト秒パルスによるポンピングによる屈折率の変化33。 しかし、これらすべてのメカニズムの中でも、可視光または通信光のメタ表面変調器の大部分は、効率的な変調と引き換えに高い変調速度を実現しており、またその逆も同様です。 その結果、時間に敏感なアプリケーションにとって重要なマイクロ波の変調速度に達するものはほんのわずかです。 実証されたスイッチング速度は通常、数キロヘルツから数メガヘルツに達します。 優れた候補として、電気光学効果 34、35、36、37 は高速変調と互換性がありますが、現在のアクティブ メタサーフェスは変調効率が低いという特徴があります。 これは、典型的なメタサーフェス要素のサブ波長サイズに関連しており、平面光学素子の厚さに匹敵するわずか数百ナノメートルの長さの相互作用領域につながります。 さらに、波長サイズの共振器は、方位角モード次数が小さいため、品質係数が低いという特徴が長い間ありました。

この研究では、図1aに示すように、狭い線幅、高性能有機分子、高周波電子設計を特徴とするサブ波長共振器を幾何学的形状に組み込むことにより、ギガヘルツの同調速度を特徴とする効率的なメタ表面変調器を実証します。 私たちの設計では、有機非線形材料の単一層 (緑色で表示) がサブ波長共振器の上に堆積されています。 マイクロ波場は、金属電極を介して非線形材料に直接印加されるため、電子機器との相互互換性により、例えばフェムト秒パルスによる光ポンピング技術よりも有利である。 ポッケルス効果としても知られる線形電気光学効果を介して、光周波数での非線形材料の屈折率 nmat を \({{\Delta }}n(t)=-\frac{1}{2} によって変化させます。 {n}_{{{{{{{\rm{mat}}}}}}}}^{3}rE(t)\)、r は材料の電気光学係数、\(E (t)=\frac{{V}_{{{{{{{{\rm{RF}}}}}}}}}(t)}{d}\) 調整磁界 (電圧 VRF(t)距離ｄ）にわたって適用される。 電気光学テンソルの r33 成分を使用する共鳴変調器では、この屈折率変化 Δn(t) により、図 1b に示すようにその共鳴周波数が \({{\Delta }}{\omega }_{ {{{{{{{\rm{eo}}}}}}}}(t)=-\frac{{{\Delta }}n(t)}{{n}_{{{{{{ {{\rm{mat}}}}}}}}}{\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}{{{\Gamma }}} _{c}={g}_{{{{{{{{\rm{eo}}}}}}}}{V}_{{{{{{{{\rm{RF}}}} }}}}}(t)\)、\({g}_{{{{{{{\rm{eo}}}}}}}}}=\frac{1}{2}{n }_{{{{{{{{\rm{mat}}}}}}}}^{2}{r}_{33}\frac{1\,V}{d}{\omega }_ {{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}{{{\Gamma }}}_{c}\) 1 V の印加電圧における電気光学結合率 38 および Γc のオーバーラップ非線形媒体と相互作用する 2 つの場の係数。 シフトは印加電圧とその極性に比例します。 高品質因子による共鳴 (したがって、小さな全幅半値 \(\delta {\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=2\pi \times \delta {f}_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}\)) は、次のように定義されるいわゆるスイッチング電圧 Veo = Vswitch を最小限に抑えるため、有利です。共振を不バイアス値から完全にシフトさせるのに必要な電圧。 \(\delta {\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}= のときに発生します。 {{\デルタ }}{\オメガ }_{{{{{{{{\rm{eo}}}}}}}}\)。 高 Q の条件では、光ビームは、Vswitch が低い場合でも、その強度または位相が完全に変調されます。 周波数シフトは、ポッケルス効果によって導入された位相変調 Δϕeo = Δωeotint から求めることができます。ここで、\({t}_{{{{{{{\rm{int}}}}}}}}=\frac {2\pi }{{\gamma }_{{{{{{{{\rm{rad}}}}}}}}}}=\frac{2\pi }{\delta {\omega }_{ {{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}\) は光ビームと非線形材料内の制御場との相互作用時間、γrad は光場外の放射損失率です。相互作用領域の遠方場へ。 シリコンナノアンテナ 41 または連続体の束縛状態および準束縛状態 (準 BIC) 42 からの高 Q プラズモニック共振器 39 またはミー共振器 40 のエンジニアリングにおける最近のブレークスルーにより、今や日常的に次数の品質係数に達する魅力的な自由空間候補が示されています。数百から数千まで。 それらは、メタサーフェスと導波路の両方の幾何学的形状において、可視光からテラヘルツまでのスペクトル全体にわたって 33 適用されました 43。 ここでは、このような準BICのユニークな特性を利用して、（図1aに示すように）小さな設置面積と低寸法を特徴とし、均質に集積された場合でも最大550のQ値を維持するハイブリッドシリコン-有機電気光学変調器を実現します。高性能電気光学分子と櫛形駆動電極を備えています。 高効率の電気光学変換は、近赤外線の吸収が低く、高磁場内に空間的に位置するポリメチルメタクリレート (PMMA)44 内の最先端の χ(2) 有機分子 JRD1 によって可能になります。光近接場領域。 賢明な 3 次元エンジニアリングにより、損失を大幅に損なうことなく性能を低下させることなく、GHz 速度の駆動フィールドを提供する金属コプレーナ導波路 (CPW) を組み込んでいます。 つまり、準 BIC の背後にある物理学は、連続体の内部に存在できる閉じ込めモードに依存しています。 それらは、図1aに示す種類の構造に現れることが示されており、その狭い線幅は、共振器の近接場における電気双極子場の伝播モードとの結合が低いことに起因しています。 私たちの幾何学 (参考文献 42 で詳細に説明) は、光学モードの線幅に影響を与える手段として対称性の破れを調査しています。 最後に、同様のナノ構造で発生する可能性のある導波モード共鳴 (GMR) に対する自由空間変換の準 BIC モードの性能をベンチマークします。 GMR は、散乱角が導波モードの伝播ベクトルの方向と一致する次数への回折格子を形成するシリコン柱による入射光の散乱によって発生します。 この場合、JRD1:PMMA によって形成されたスラブ内の伝播モードは、グレーティングによって効率的に励起されます。

a 自由空間電気光学変調器は、自由空間から入射するビームの特性を変更します。 サブ波長のミー共振器は、ナノ共振器を覆う有機電気光学コーティング内で発生する電気光学効果を介して、薄膜を通って伝播する入射光に強度変調を与えます。 相互作用の長さは通常数百ナノメートルで、単一波長より短く、有機電気光学コーティングの厚さに比例します。 b 共振電気光学変調器は、その共振周波数 \({\omega }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}\) が Δωeo(t ) 電気光学効果によって引き起こされる位相シフトにより、印加されたバイアスによって線形に変化します。 高周波バイアス VRF(t) = Veo × sin(2πfRFt) が 2 つの櫛形電極 (信号は黄色で示され、GND はオレンジ色で示されます) 間に印加され、共振周波数がゼロ バイアス値付近で変位します。 \({{\Delta }}{\omega }_{{{{{{{{\rm{eo}}}}}}}}} \, > \, \delta {\omega }_を満たす狭帯域共鳴{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}\) は、低いスイッチング電圧での完全な強度変調に適しています。 黒い破線の矢印は、電気光学効果を導入する適用された調整場を示します。 赤い矢印は伝播する光場を示します。 EO 電気光学、GND グランド。

楕円形のシリコン共振器のアレイが石英基板上にパターン化され、金の櫛形電極が共振器の周囲に堆積され、高品質の活性有機層で覆われます。 埋め込まれたアレイはサブ波長の厚さを持ち、光場が通常自由空間から入射する透過幾何学的形状で動作します。 製造されたデバイスを図2に示し、製造プロトコルについては方法で説明し、補足図S1にスケッチします。 図２ａ、ｃ、ｄの走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）は、金属電極の堆積前後のシリコン共振器のアレイを示している。 有機電気光学分子の層は 50%wt の JRD1:PMMA で構成され、シリコンよりも屈折率が低くなります (\(\tilde{n}=n+ik\)、n = 1.67、k = 5 × 10 \({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=1550\,{{{{{\rm{nm}}}}} で -5 \))、ここには示されていません。 活性層の波長、電圧、および濃度に依存する特性は、参考文献で広範囲に報告されています。 24 およびそれに関連する補足情報。 図 2a (TV = 上面図) および図 2b (SV = 側面図) の挿入図に示されているアレイの 1 つの単位セルの正確な幾何学的パラメーターを選択することにより、シリコン ナノ構造は準 BIC を示すように設計できます。図 2b に示すように、C および L テレコム帯域の GMR。 それらの線幅は明らかに非常に異なっていますが、図2e、fのシミュレートされたフィールドプロファイルで示されているように、両方のタイプの光モードは主に有機分子の層内と高屈折率シリコン材料の外側に局在しています。ここで、矢印は共振器の面 A における電場の向き。 シミュレーションは、周波数領域ソルバーと周期境界条件を使用して CST Microwave Studio で実行されます。 さらに、高さ \({h}_{Si{O}_{2}}=\) 200 または 300 nm の二酸化シリコンから楕円台座の上に高さ hSi = 200 nm のシリコン共振器をパターン化することを選択しました。 SEM 図と図 2b に示す 1 つの単位セルの断面図の両方から見ることができます。 このステップは、金属電極との重なりを最小限に抑え、それによる光場の損失を最小限に抑えるために不可欠です。 シリコン共振器の近接場におけるその局在化を示すために、光場のシミュレートされた断面が補足図S3に表示されます。

a 単一の電気光学変調器は、二酸化シリコン台座上の石英基板上にパターン化されたシリコン ナノ共振器の長方形アレイから作られます。ここでは、金属電極と有機電気光学層 (緑色) の堆積前を示しています。製造後にスピンコーティングによって塗布され、ナノ共振器を覆います。 挿入図は、1 つの単一ユニットセルの上面図 (TV) を示しています。 スケールバー = 500 nm。 この幾何学形状は、b に示す連続体における準束縛状態 (準 BIC) と導波モード共鳴 (GMR) という 2 つの異なるタイプの共鳴を、c、d のような対応する幾何学形状とともに維持できます。 挿入図は 1 つの単位セルの側面図 (SV) を示しています。 2 種類の共鳴は、x 偏光の入射ビームによって励起され、e、f (SV の断面 A) に示すように、共振器の近接場に異なる分布があります。 準BICモードは近接場内を循環し、z軸に沿った（したがって励起偏波に垂直な）支配的な成分を持ちますが、導波モード共鳴は主に（励起として）x偏波です。 共振器の近接場における光場のベクトル方向を考慮すると、図に示すように、金属電極が楕円の各行の間に堆積され、準 BIC の場合は x 軸に沿って、GMR の場合は z 軸に沿って配向されます。 b、c（スケールバーは上の写真 = 5 μm、下の写真 = 1 μm）。 櫛型電極は、電界分極による JRD1:PMMA 層の活性化と、DC および RF 同調磁場の適用に役立ちます。 黒い矢印は分極方向を示します。

ここで検討する 2 つのモードの特定の機能に注目してください。 どちらの共振も x 偏光で励起されますが、共振器の近接場光は主に準 BIC モードでは z 偏光、GMR モードでは x 偏光になります。 この事実は、2 つの共振で異なる電極の向きの選択を説明しています。準 BIC 構造の場合、電極は x 軸に平行ですが、GMR 構造の場合、電極は z 軸に平行です。 この配向により、電極に対して垂直に配向された、印加されたRF場に平行な近接場光の配列が最大化され、JRD1:PMMA層の電気光学テンソルのr33係数を利用できるようになります。 ここで使用される有機層の場合、サンプルの幾何学的座標系に対する電気光学テンソルの配向は、分子がそれに沿って配向する手順である電界ポーリングによって製造後に確立されることに注意してください。金電極を介して印加される DC 電場 13、24、45。 定義により、ここで使用される有機層では、r33 は分極磁場の方向に対応します。 補足図S3では、2つの形状の分極磁場の静電シミュレーションを提供します。 分極磁場の向きとその相対的な強さは、有機電気光学分子の向きと整列レベルを示します。 私たちの場合、アレイ全体が櫛型電極によって一度に分極されるため、図2cの緑と赤の領域で示されているように、電気光学係数r33は、ある電極期間から次の電極期間まで符号が交互に変化し、dにより全体のinが得られます。参考文献で以前に実証され、詳細に特徴付けられた、典型的な r33 = 100 pm/V の面周期分極 JRD1:PMMA フィルム。 結果として、この特定の構造により、両方のモードのオーバーラップ係数 Γc を最大化することができます。

以下では、最初に、直流電圧 Veo がアレイ全体にわたって均一に櫛形電極に印加されたとき (fRF = 0) の、ハイブリッド シリコン - 有機自由空間変調器の実験的な調整特性を示します。 図3a〜fでは、図2aの挿入図で定義された幾何学的寸法を持つCまたはLテレコム帯域で設計された準BICモードでの動作の実験結果を報告します。 これらの寸法は、次のように幾何学的なスケーリング パラメーター α に依存します: W = 1.32 × α μm、L = 1.4 μm、Da = 2 × 0.33 × α μm、Db = 2 × 0.11 × α μm、d = 0.66 × α μm、およびメソッドで提供されます。 準 BIC モードの特別な特徴は、その Q 係数が非対称角 θ に大きく依存することです。材料損失がなければ、品質係数は θ = 0 の限界で無限大に向かって増加します。補足図で報告します。 S4 は、製造された構造の透過率の θ への依存性をシミュレートしたものです。 損失が存在する場合、Q 値が高いと共振深さも減少する (最終的に強度変調が減少する) ことに注目して、θ = 15° と 25° を選択します。 角度を θ = 25° (α = 0.7 および α = 0.725 の場合、それぞれ Q = 212 および Q = 320) から θ = 15° (Q = 357 および Q =それぞれ、α = 0.7 および α = 0.725 の場合は 557）、図 3g を参照してください。 測定は、デバイスの電界ポーリングの前に、図2cと同様の構造に対して実行されました。 さらに、θの減少に伴う共鳴の測定された赤方偏移は、シミュレーションによってよく再現されています。 図3cでは、電気光学分子の非線形性後の、α = 0.7およびθ = 25°の構造の印加電圧Veoの関数として、準BICモードに基づく変調器のDC調整特性を報告します。は電界分極によって確立されます。 まず、Veo = 0 V で、分極サンプルの共振波長が 12 nm シフトしていることを観察します (\({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}) }=1540\) nm) を非分極サンプル (\({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=1528\) nm) と比較しました。 分極反転サンプルの実験的な Q 係数は Q = 276 です。 次に、印加電圧が Veo = 100 V から Veo = −100 V に変化すると、予想どおり、共振が印加電圧に応じて線形にシフトすることがわかります (\( による) \frac{{{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}}{{\lambda }_{{{{{{{{ \rm{res}}}}}}}}}=-\frac{1}{2}{n}_{{{{{{{\rm{mat}}}}}}}}^ {2}{r}_{33}E{{{\Gamma }}}_{c}\)、\(E=\frac{{V}_{{{{{{{{\rm{eo) }}}}}}}}}}{L}\)) 最大 \({{\Delta }}{\lambda }_{\max }=11\) nm まで。これは \( を満たすのに十分です{{\デルタ }}{\オメガ }_{{{{{{{{\rm{eo,100V}}}}}}}}}-{{\デルタ }}{\オメガ }_{{{{ {{{{\rm{eo,-100V}}}}}}}} \sim 2\times \delta {\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}} }}}\ge \delta {\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}\) (挿入図を参照)。 スイッチング電圧 Vswitch を、伝送を最大値と最小値の間で切り替えるのに必要な電圧 (概念的には広く使用されている Vπ に対応) を定量化する性能指数として導入します。 Vswitch = 100 V は、選択した動作波長 λOP でサンプルを透過する絶対強度を \({T}_{\min }=30 \%\) での最小値と \({T}_{\min }=30 \%\) での最大値の間で調整するには十分であることがわかります。その最大値の ({T}_{\max }=90 \%\) (図 3h にも示されています)。 これは、最大変調深度 \({\eta }_{\max }=\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\) に対応します。ここで、 \( {{\Delta }}T={T}_{\max }-{T}_{\min }\) は合計の変調変化です。 これは、4.7 dB の消光比 (ER) に相当します。 図3fに示す2番目の例では、θ = 15°およびα = 0.725のときに存在する狭い共振で動作することを選択します。 この場合、\({{\Delta }}{\lambda }_{\max }=10\) nm による共振の最大調整を報告します。これは \({{\Delta }}{\ に相当します)オメガ }_{eo,100V}-{{\デルタ }}{\オメガ }_{eo,-100V} \sim 3.46\time \delta {\オメガ }_{{{{{{{{\rm{res }}}}}}}}}\ge \delta {\omega }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}\)。 また、このケースでは、Veo = 0 V で、分極サンプルの 11.6 nm の共鳴波長のシフトが観察されます (\({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}) }}}}=1594\) nm) 非分極サンプル (\({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=1582.4\) nm) と比較。 分極反転サンプルの Q ファクターは Q = 550 です。重要なのは、この場合、Q ファクターが高いため、共振全体にわたって完全に調整するには、Veo = 60 V または Veo = −60 V のみの電圧変化で十分であることです (「参照」を参照)。挿入図）。 その結果、サンプルを透過する絶対強度を最大値の 60% の最小値と 100% の最大値の間で切り替えるには、電圧 Vswitch = 60 V で十分であることがわかります。 この場合、 \({\eta }_{\max }=40 \%\) です。図 3h を参照してください。

a、b、および d、e 実験的な透過率の結果は、準 BIC 構造に基づく電気光学変調器のさまざまな形状のシミュレートされた透過率曲線と比較されます。 予想どおり、実験とシミュレーションによって、幾何学的スケーリング係数 α が通信帯域内の共振をシフトさせることがわかりました。 さらに、非対称角 θ は共鳴の線幅に影響します。 c、fは、それぞれ(α, θ) = (0.7, 25°)および(α, θ) = (0.725, 15°)の電気光学変調器のDCチューニングマップです。 挿入図は、0 V、Vswitch = ± 100 V、± 60 V での 3 つの異なる曲線をそれぞれ示しています。 g 二酸化ケイ素ペデスタルの 2 つの異なる高さについて実験的に抽出された品質係数が比較され、200 から 300 nm への高さの増加が品質係数の増加につながることがわかりました。 破線の円はθ = 15°の準 BIC 構造を表し、実線の円は θ = 25°を表します。 hSiO2 = 300 nm の円は、円の右側にラベルが付けられた測定値を示します。 hSiO2 = 200 nm の円は、hSiO2 = 200 nm での同等の構造の測定値を表します。 h 詳細な電圧依存透過曲線は、a、d で説明した 2 つのデバイス形状の場合の 2 つの例示的な動作波長について報告されています。 両方のジオメトリでトランスミッションの完全な切り替えが実現されます。 i, j 対照的に、同じ構造の GMR は、実験とシミュレーションで実証されたように、線幅がはるかに広いです。 k それらの共鳴波長は \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=20\)nm にわたって調整できます。 すべてのカラーマップについて、Q 係数と非対称角 θ が示されています。 ER 消光比。

これら 2 つの例を比較するために、図 2d で導入された GMR モードで楕円共振器を動作させたときの DC チューニング動作を図 3i–k で分析します。幾何学的寸法 (W = 1.4 μm、L = 1.32 × α) μm、Da = 2 × 0.33 × α μm、Db = 2 × 0.11 × α μm、d = 0.66 × α μm）方法で規定されているとおり。 実験とシミュレーションの両方から、実験的な Q = 37 でより広い共振が見られます。ここでは、Veo = 100 V から Veo = −100 V までの電圧変化により、最大範囲 \({{\Delta }} にわたって共振波長が調整されます) {\lambda }_{\max }=20\) nm。 この値は、準 BIC モードで得られた値よりも約 2 倍大きく、ナノ共振器の近接場と調整磁場との位置合わせがより高いため、r33 電気光学係数によって可能になるより効率的な相互作用に起因すると考えられます (「を参照」を参照)。補足図S3の並列モードプロファイルとポーリング/チューニングフィールドシミュレーション）。 ただし、共振の線幅が広いため、100 V を超える Vswitch が必要となるため、広帯域放射を変調する場合のように、大きな強度変調よりも広い共振を大きく調整することが好ましいシナリオで GMR を利用できることが実証されています。 。 特に、達成された調整は、JRD1:PMMA24の単一有機層内のGMRを調査した以前のレポートの約2倍であり、これにより、高性能自由空間変調器に対するサブ波長共振器の関連性が強調されています。

最後に、図4の準BIC（α = 0.675およびhSiO2 = 200 nm）に基づいてMie変調器のGHz速度特性を分析します。いくつかの製造されたデバイスの写真が図4aに提供されており、2つのセットが表示されています。デバイス: GHz 速度の CPW に接続された櫛形同調電極を備えた三重変調器と、CPW のみで構成される (メタサーフェスも櫛形電極も含まない) テスト デバイス。 まず、図4cに示すセットアップを使用して、送信RF電力の量を含む散乱行列を出力するベクトルネットワークアナライザ（VNA）を使用して、S21,dBで特徴付けられるこれら2つの構造を電気的に特徴付けます。 f−6dB = 4.2 GHz でミー変調器の−6 dB カットオフが見つかり、その後、−20 dB/decade のロールオーバーが観察されます。これは、インターデジタル電極アレイの RC 時定数とよく一致します。ミー変調器 (「メソッド」を参照)。 ロールオーバー後、変調器の両端の電圧はゼロに向かって低下します。 これは、そのような減衰を特徴としないテスト CPW とは対照的です。 RF ケーブル損失は、S21,dB 応答から差し引かれます。 次に、図4dに示すように、光伝送特性との共振周りのMie変調器のGHz速度の電気光学調整特性を特徴付けます。 ドライブ フィールド \({V}_{{{{{{{{\rm{RF}}}}}}}}}={V}_{{{{{{{\rm{eo} }}}}}}}}\times \sin (2\pi {f}_{{{{{{{\rm{RF}}}}}}}}t)\)。 二重変調方式を局部発振器およびロックイン検出と組み合わせて使用​​し、ロックイン帯域幅を超える最大 5 GHz までのサンプルの特性を評価します。 実験セットアップの詳細は、補足図S2の実験室設定の方法と写真に示されています。 図4eでは、最初にピーク電気光学変調ηpeak,dBを周波数fRFの関数として報告します（ここでは、ピーク変調振幅が100 MHzでの値ηpeak（fRF = 100 MHz）に正規化され、計算されていることに注意してください） \({\eta }_{peak,dB}=10\;{\log }_{10}\frac{{\eta }_{{{{{{{{\rm{peak}}}}} を使用) }}}}({f}_{{{{{{{{\rm{RF}}}}}}}})}{{\eta }_{{{{{{{{\rm{ピーク}}}}}}}}}(f_{{{{{{{\rm{RF}}}}}}}}=100\,MHz)}\))。 サンプルの電気光学帯域幅は fEO,−3dB = 3 GHz であり、fRF = 5 GHz では変調振幅が最大値より約 7.75 dB 低いことがわかります。 電子帯域幅と電気光学帯域幅の不一致は、フォトダイオードから数段のミキサーを通過するロックインアンプまでのケーブルの減衰に起因すると考えられますが、この実験では考慮されていませんでした。 電気光学応答の振動は、これらのケーブル内の電子共振に起因する可能性があります。 RF ソースからチップまでの減衰のみを考慮しました。 図4eの挿入図では、3つの異なる変調周波数（ソースで27 dBmのRF電力でのfRF = 1.4、2.5、および4.3 GHzの色付きの点でマークされています）の波長分解EO変調を示しています。 波長ごとに、絶対的な電気光学変調をバイアスされていないサンプルの透過率に正規化しました。 予想どおり、変調強度は非対称共鳴の片側、より具体的には透過率の傾きが最も大きい波長 λ でピークに達し、共鳴波長 \({\lambda }_{{ {{{{{{\rm{res}}}}}}}}\)。 さらに、変調は 3 dB カットオフを超えて、たとえば fRF = 4.3 GHz で測定できることに注意してください。 図4fでは、周波数1.5および5 GHzでの駆動電力に対する変調振幅の依存性を調査し、予想どおりほぼ線形の動作を観察します。

製造されたチップの写真は、GHz コプレーナ導波路 (CPW) と統合されたミー変調器を示しています。 テスト CPW も表示されます。 b ミー変調器の電子散乱パラメータ S21 がテスト CPW と比較されます。 S21 は、高周波ケーブルと高速マイクロ波 GSG (グラウンド-ソース-グラウンド) プローブ (1 つのグラウンドはフローティング) によってサンプルに接続されたベクトル ネットワーク アナライザー (VNA) を使用して測定され、f-6dB のカットオフを示します。 = 固有の RC 帯域幅により 4.2 GHz。 RF ケーブル損失は S21 応答から差し引かれます。 4.2 GHz を超えると、Mie 変調器だけが -20 dB/decade の減衰を示します (テスト CPW のロールオーバーはそれほど急ではありません)。 c 光電子実験のセットアップ。 電子特性は VNA を使用した伝送構成で測定され、波長分解電気光学 (EO) 変調はロックインアンプを使用して測定されます。 局部発振器 (LO) と組み合わせた二重変調方式が使用され、レーザー放射が光源で変調され、ミー変調器 (詳細は方法で) が RF 光源によって電子的に作動します。 d サンプルの共鳴 (hSiO2 = 200 nm、θ = 25°)。 e 最大 5 GHz の周波数 fRF に対するピーク電気光学変調振幅。 fEO の 3 dB の電気光学帯域幅、−3dB = 3 GHz がわかります。 挿入図: fRF のいくつかの値の波長分解変調強度。e のデータをプロットするためにピーク値が使用されています。 f 1.5 GHz および 5 GHz におけるさまざまな変調電圧のピーク電気光学変調振幅 (dBm 単位のパワーとして報告)。後者は電気光学帯域幅をはるかに超えています。

私たちの研究は、通信周波数における自由空間ビームのコンパクトで効率的な強度変調を提供する自由空間電気光学変調器のクラスに向けた最初のステップです。 これらは、アクティブ電気光学層で覆われた高 Q サブ波長共振器の独自の設計柔軟性を活用し、マイクロ波互換電極を組み込むことで効率的な GHz 速度の調整を実現します。 将来的には、私たちが提案する製造手順により、他の形状のサブ波長共振器（例えば、位相限定変調46または偏光変調を実現するため）だけでなく、酸化物などのメタ表面に一般的に使用される他の材料（例えば、二酸化チタンまたは二酸化ハフニウム）、金属または半導体（ゲルマニウムなど）。 次いで、活性有機層が製造後に適用される。 また、DC 電圧では、準 BIC モードの使用により、11 nm に相当する C テレコム帯域の 31% 以上のチューニングを達成できます。一方、GMR は最大 20 nm のチューニングを実現します。 自由空間アクティブフォトニクス 24 の有機層のさまざまな特性を評価することに重点を置いた以前の研究は、光共振を導入する目的でも電極アレイを使用することに限定されていました。これは、光学特性が幾何学形状によって操作できる今回の場合とは異なります。シリコン共振器は、調整マイクロ波場を適用するという目的だけを目的とする電極アレイとは独立しています。 この進歩により、サブ波長共振器を使用する場合、活性有機層との光モードの重なりが改善されるため、GMR を 2 倍の波長範囲にわたって調整できるようになります。 さらに、櫛形電極設計は低静電容量を特徴とするため、電流カットオフ周波数がデバイスのみの総面積に関連付けられ、マイクロ波速度での動作が可能になります。 この実証されたスイッチング速度は、渦ビーム生成 47,48 や時間分解顕微鏡とセンシング 49 など、時間依存の高速オンデマンド光制御など、高周波エレクトロニクスとの直接統合のさらなる研究を促進する可能性があります。 。 この点において、私たちの実証は最大 100 V の駆動電圧を構造に印加できることを明確に示していますが、将来的には、超薄型自由空間変調器をより高い ER の CMOS 電圧で動作させることが望ましいようになる可能性があります。 補足情報 S5 では、この目標に向けて取られる可能性のあるルートの概要を示します。特に、セクションで説明したように、電極材料を透明な導電性酸化物に置き換えることによって、より高い ER または 12 V へのスイッチング電圧の低下の両方が達成できる可能性があります。 S3.D. さらに、この研究の補足情報では、空間多重化を達成する手段として準BICから実現される空間光変調器の原理の最初の証明を提供します。 これらの累積的な進歩の結果として、補足情報 S5 で概説されているように、私たちの設計はすでに他の報告されている電気光学メタサーフェス プラットフォームよりも優れた重要な性能指数を示しています。 将来的にさらに高い変調速度が必要な場合、デバイスの固有 RC 時定数は 10 分の 1 に減少する可能性があり、デバイスの面内フットプリントを現在の近似値から削減することで最大 30 GHz での動作が可能になる可能性があります。 330 × 330 μm2 から潜在的に 100 × 100 μm2 の領域。 最後に、高い Q 値と組み合わせて 0.7% の相対帯域幅調整を達成することで、新たな非線形光学現象をさらに調査できる可能性があります。 それらの高速特性は、電気光学材料 51 を使用した時間変化 50 および時空間 5,51 メタサーフェスの領域で役立つ可能性があり、光機械 52 または圧電 53 の駆動を超えた、磁石を使用しないアイソレーターへの代替手段を提供する可能性があります。 あるいは、このデバイスアーキテクチャは、たとえば、この種のシリコンと有機のハイブリッドシステムではこれまで実証されていない、高性能非線形材料と組み合わせた高度に閉じ込められた場も必要とする第二高調波発生に役立つ可能性があります。

この研究で議論されている構造は、シリコン・オン・インシュレーター・プラットフォームに使用される標準的なナノ製造技術を部分的に使用しています。 これらは、有機活性層を構造に塗布し、その後電界ポーリングによって活性化する最終ステップによって補完されます。 製造フローチャートを補足図S1に示します。 つまり、二酸化シリコン（厚さ200/300 nm）上のアモルファスシリコン（厚さ200 nm）の多層が、石英基板上に化学蒸着によって堆積されます。 次に、電子ビーム (電子ビーム、Elionix 125、1 μA 電流) リソグラフィーによって、ZEP 520A レジスト (3000 rpm でスピンコート) 上に楕円形のナノ構造がパターン化され、その後の 2 段階のフッ化物ベースの反応性イオン エッチングでエッチング マスクとして機能します。 (SF6、C4F8)。この際、最初にシリコンがエッチングされ、次に同じレジスト マスクを使用して二酸化シリコンがエッチングされます。 エッチング後、電子ビーム蒸着によって金電極 (15 nm チタン、35 nm 金) が堆積され、続いて 80 °C のリムーバー PG で一晩 ZEP 520A レジストをリフトオフします。 最後に、50% wt の 1,1,2-トリクロロエタンに溶解した 50% wt JRD1:PMMA (PMMA = ポリメチルメタクリレート) の混合物を 1000 rpm でスピン コーティングして構造に堆積し、層厚が 600 ～ 700 nm になるようにします。 。 コーティング後、有機フィルムを真空オーブンで 80 °C で 24 時間乾燥させます。 乾燥後、有機膜は電界ポーリングによって電気光学的に活性化されます。この手順は、たとえばここで説明されています13。その間、サンプルは有機層のガラス温度（95 °C）以上に加熱され、真空下で急速に冷却されます。 Epol = 100 V/μm程度の分極磁場を印加します。 この手順中に、電気光学分子JRD1は、ランダム（スピンコーティング後）から分極磁力線（以下および補足図S3でより詳細に説明する三次元特性を有する）に整列するまで再配向を受ける。過分極性のため。 JRD1:PMMA混合物の波長依存の電気光学特性、波長依存および濃度依存の屈折率については、参考文献の補足情報で詳細に説明されています。 24.

私たちが実証する変調器の性能は、主に、私たちが提案する構造が、アクティブな非線形材料との重なりが高い高 Q モードをサポートしているという事実から生じます。 品質係数は、式 \(Q=\frac{{\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}\) と γ を使用して計算します。ローレンツ線形を形状の送信パワーに当てはめることによって抽出した共鳴の総損失率 \(I(\omega )=\frac{A}{{(\omega -{\omega }_{{{{ {{{{\rm{res}}}}}}}})}^{2}+{(\frac{\gamma }{2})}^{2}}+B\)、ここで A、 B、\({\omega }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}\) および γ はフィッティング パラメーターです。 補足図S3では、光場と分極磁場（ハイブリッド構造の有機コーティングにχ（2）非線形性を生成する）の両方のシミュレートされた分布を報告します。 後者の分布は、変調器の電気光学効果を引き起こすためにテスト対象デバイスに印加される駆動 DC および RF フィールドにも密接に対応します。 すべてのシミュレーションは CST Microwave Studio で行われます。光学シミュレーションは周波数領域ソルバーを使用して実行され、DC シミュレーションは静電ソルバーが使用されます。 有機層の詳細な誘電率は、参考文献で DC および光周波数について見つけることができます。 24.

準 BIC 構造には次の寸法を選択しました: W = 1.32 × α μm、L = 1.4 μm、Da = 2 × 0.33 × α μm、Db = 2 × 0.11 × α μm、d = 0.66 × α μm、θ = 15°、25°、α = 0.7（図3a〜c）およびα = 0.725（図3d〜f）、x軸およびz軸に沿った周期数Nx = 360およびNz = 240。 すべての場合において、金電極は幅 200 nm、長さ 330 μm、高さ 50 nm (チタン 15 nm、金 35 nm) です。 GMR 構造には次の寸法を選択しました: W = 1.4 μm、L = 1.32 × α μm、Da = 2 × 0.33 × α μm、Db = 2 × 0.11 × α μm、d = 0.66 × α μm、θ = 15 °、周期数 Nx = 240、Nz = 360、α = 0.75。 また、hSiO2 = 200 nm。 図4に示す高周波測定では、α = 0.675の準BIC構造を使用しました。

まず、電子 \({S}_{21,dB}=20\;{\log }_{10}\frac{{V}_{RF,out}}{{V}_{RF, GGB (Picoprobe 40A シリーズ、DC ～ 40 GHz) からの 2 つの GSG プローブを変調器の CPW に接続することにより、VNA (Agilent E8364B) を使用してパラメータを取得します。 次に、局部発振器 (LO、fLO) と組み合わせた二重変調方式 (fmod、feo) を使用して、Mie 変調器の高周波電気光学同調特性を特徴付けます。 レーザーは、外部ソース (パルサー Agilent B114A) を使用して、fmod = 300 kHz、50% デューティ サイクル、および完全な強度変調で内部変調されます。 電気光学変調器は、正弦波信号を出力する 2 番目の RF ソース (Hittite Microwave Corporation HMC-T2100B、10 MHz ～ 20 GHz) を使用して、図 4 に示す速度で変調されます。 変調されたレーザー強度はフォトダイオード (Newport 1544-A、帯域幅 12 GHz) によって検出されます。 3 番目の RF ソース (Wiltron アンリツ 68347B、10 MHz ～ 20 GHz) は、変調周波数に関係なく、周波数 fLO = fRF + 41 MHz の局部発振器として使用され、フォトダイオード信号を fIF = 41 MHz の中間周波数にミックスダウンします。 fRF (ミキサー ZMF-2-S+、帯域幅 1 ～ 1000 MHz およびミキサー ZX05-C42-S+、帯域幅 1000 ～ 4200 MHz、両方とも Mini-circuits 製)。 ダウンミックスされたフォトダイオード信号は、高周波ロックインアンプ (チューリッヒ機器の UHFLI、最大復調周波数 600 MHz) によって記録されます。 2 番目のミキサー セット (Mini-circuits のミキサー ZMF-2-S+、帯域幅 1 ～ 1000 MHz、および Mini-circuits のミキサー ZLW-1-1+、帯域幅 0.1 ～ 500 MHz) は、中間周波数と変調周波数を使用して fref = fIF + fmod で基準信号を形成し、ダウンミックスされたフォトダイオード信号を復調し、変調強度を報告するために使用されます。 局部発振器と組み合わせたこの二重変調方式は、ロックインアンプのカットオフよりも大きい周波数範囲でサンプルの電気光学変調を明確に検出するために必要です。 ミー変調器に入射する光はサンプル (直径 6 mm) の前でコリメートされ、焦点距離 100 mm のレンズを使用してサンプルに焦点を合わせます。 サンプルはビームの焦点に配置され、その位置は xyz ステージを使用して調整されます。 直線偏光子は、x 軸に平行でない偏光成分をフィルターします。

この研究で調査したミー変調器は、上で説明したような寸法を持っています。 スイッチング速度は主に、有機材料とシリコンピラーが充填された電極の櫛型アレイの静電容量と、ソースの 50 Ω 抵抗によって決まります。 以下の式を使用して、周期ごと、単位長さごとの静電容量を計算するための単純化されたモデル 56 を検討します。

ここで \({\epsilon }_{Si{O}_{2}}=3.75\)、ϵJRD1:PMMA = 5、\(k=\cos (\frac{\pi {w}_{電極}}{ 2{w}_{gap}})\) および weelectrodes = 0.2 μm は櫛型電極の幅、wgap = 1.2 μm は 2 つの電極間のギャップです。 \(K(k)=\int\nolimits_{0}^{1}\frac{dt}{{[(1-{t}^{2})(1-{k}^{2}{t}] ^{2})]}^{0.5}}\) は、第 1 種楕円積分です。 全長 L = 300 μm、周期の総数 Nz = 240 では、総静電容量は Ctot = Nz × Cper/L × L = 0.27 pF に等しくなります。 これにより、デバイスの RC カットオフ周波数は、R = Rsource + Rdevice (Rsource = 50 Ω、Rdevice = 24 Ω、すべての櫛型電極が短絡したサンプルで測定されたデバイスの直列抵抗) を仮定することで解析的に推定されます。 f−3dB,calc = 2.6 GHzおよびf−6dB,calc = 4.5 GHz。 ただし、金線の品質によりデバイスの抵抗にばらつきがあり、それがカットオフ周波数に影響を与える可能性があることに注意してください。 この式は、この推定値と比較して静電容量が増加するため、RC カットオフ周波数が低下する楕円シリコン共振器を考慮していません。

この研究で生成された主要なデータセットは、アクセッション コード https://doi.org/10.5281/zenodo.6458285 で Zenodo データベースに保管されています。

この研究で生成された主なコードは、アクセッション コード https://doi.org/10.5281/zenodo.6458285 で Zenodo データベースに保管されています。

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著者らは、クリストファー・ボンゾン氏とミシェル・タニョーネ氏との洞察力に富んだ議論を認めています。 I.-CB-C. スイス国立科学財団による博士研究員フェローシップ P2EZP2.181935 およびハンス・エッゲンベルガー財団からの独立研究助成金による支援に感謝します。 MLM は、NWO Rubicon Grant 019.173EN.010、オランダ資金庁 NWO、および空軍科学研究局によって賞番号 FA9550-19-1-0352 によって支援されています。 DLE と LRD は、空軍科学研究局 (FA9550-19-1-0069) からの支援を認めます。 この研究の一部はハーバード大学ナノスケール システムセンター (CNS) で行われました。 NSF 賞第 1 号に基づいて全米科学財団によって支援されている全米ナノテクノロジー調整インフラストラクチャー ネットワーク (NNCI) のメンバーです。 ECCS-2025158。 さらに、海軍研究局 (ONR) の MURI プログラムからの資金援助も、助成金番号 1 に基づいて行われています。 N00014-20-1-2450 は承認されています。 電気光学分子はワシントン大学の化学科で合成されました。

ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院、ハーバード大学、ケンブリッジ、マサチューセッツ州、米国

イレアナ＝クリスティーナ・ベネア＝チェルマス、シドニー・メイソン、マリーナ・L・メレツカ、ドミトリー・カザコフ、アミルハッサン・シャムス＝アンサリ、フェデリコ・カパッソ

スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL)、スイス、ローザンヌのハイブリッド フォトニクス研究所

イレアナ・クリスティーナ・ベネア・チェルマス

ハーバード大学、ケンブリッジ、マサチューセッツ州、米国

シドニー・メイソン

ワシントン大学化学科、シアトル、ワシントン州、米国

デルウィン L. エルダー & ラリー R. ダルトン

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I.-CB-C. 実験を考案し、設計し、実行しました。 SMが測定を手伝ってくれました。 I.-CB-C. そしてMLMはサンプルを加工した。 I.-CB-C. 理論的な導出とシミュレーションを行いました。 DLE と LRD は電気光学分子を開発し、デバイスの分極を支援しました。 I.-CB-C. そしてAS-A。 マイクロ波光学特性評価セットアップを構築しました。 DKとAS-A。 高周波測定に役立ちました。 I.-CB-C.、MLM、DK、AS-A.、および FC がデータを分析しました。 I.-CB-C. 著者全員からのフィードバックを受けて原稿を書きました。

イリアナ・クリスティーナ・ベネア・チェルムスまたはフェデリコ・カパッソへの通信。

この研究の主題に関して、米国シリアル番号: 63/148,595 の仮特許出願がハーバード大学の学長およびフェローによって提出されました。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Gaetano Scamrcio と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Benea-Chelmus, I.C.、Mason, S.、Meretska, ML 他。 ミー共鳴に基づくギガヘルツ自由空間電気光学変調器。 Nat Commun 13、3170 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30451-z

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受信日: 2021 年 11 月 19 日

受理日: 2022 年 4 月 29 日

公開日: 2022 年 6 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30451-z

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