Efeito da Densidade de Portadores

A variação da densidade de portadores influencia na absorção de luz, e consequentemente, altera o valor do índice de refração efetivo no guia óptico. Este efeito pode gerar limitações nos dispositivos, devido ao tempo de vida dos portadores na ordem de a para o silício puro e semicondutores da família III-V. Porém, essa limitação pode ser superada caso os dispositivos operem variando a região de depleção, ou seja, movimentando os portadores ao invés de recombiná-los. Este efeito é bastante utilizado no silício, uma vez que os efeitos eletro-ópticos são muito baixos [5].

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Como visto acima, a principal maneira de modular o índice de refração no silício é por meio de variação da densidade de portadores livres. Existem três configurações principais para realizar este efeito no silício. O primeiro é um guia em diodo polarizado diretamente, como mostrado na Figura 26. Este modulador consiste em um guia de onda de silício intrínseco, com as laterais compostas por uma região dopada de silício tipo n e outra dopada com silício tipo p.

Figura 26: Seção transversal do diodo polarizado diretamente

A seção transversal do guia deve possuir dimensões tais que a luz se propague no modo fundamental.

A segunda opção é baseada em um capacitor MOS construído com um slab de silício tipo n, e um guia tipo rib de silício dopado com tipo p, separados por uma fina camada de óxido. Contudo, este tipo de configuração com um contato sobre o guia induz uma perda óptica indesejável [5].

A terceira opção é baseada em uma junção pn polarizada reversamente Figura 27.

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Figura 27: Diodo polarizado reversamente

Esta estrutura possui uma região de depleção no meio do guia de onda óptico. A espessura dessa região depende da concentração de portadores e da tensão reversa aplicada. Uma variação da tensão aplicada gera uma alteração na densidade de portadores e consequentemente uma variação no índice de refração. Tanto o capacitor MOS quanto a junção pn polarizada reversamente apresentam uma largura de banda de operação dependente principalmente da constante de tempo RC, podendo possuir banda eletro-óptica superior a 40 .

Devido à variação do índice de refração, o índice efetivo também varia, gerando a modulação de fase na luz que passa pelo guia. Esta variação na fase pode ser calculada pela expressão abaixo.

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Onde é o comprimento do modulador de fase, e o comprimento de onda luz no vácuo. A figura de mérito responsável por caracterizar o componente é o , na qual é a tensão necessária para que ocorra uma defasagem de no

sinal que passa pelo modulador de comprimento . Quanto menor este produto, mais eficiente é o modulador. O modulador p-i-n polarizado diretamente apresenta o menor que as outras duas configurações, podendo ser o menor dispositivo para o mesmo valor de tensão aplicada, nos três casos. Porém, como no caso da polarização direta, a mudança de densidade de portadores se dá por meio da injeção de corrente no guia (governado principalmente por portadores minoritários), sendo o tempo de vida destes portadores da ordem de a .

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Este tempo lento para recombinação e geração de portadores limita tais dispositivos à taxas de modulação na ordem de . Para os outros dois casos (capacitor MOS e junção pn polarizada reversamente) a modulação de portadores livres se dá através do efeito do campo elétrico, sendo a limitação do dispositivo dependente apenas da constante de tempo [5].

Para superar as limitações de velocidade algumas mudanças no projeto da estrutura dos moduladores podem ser realizadas. No caso do modulador de junção pn polarizado diretamente, o tempo de vida dos portadores é o fator limitante da velocidade, portanto, para este caso, a diminuição do guia de onda levaria a uma redução neste tempo de recombinação, aumentando a velocidade do modulador.

Já para os moduladores CMOS e de junção pn polarizados reversamente, a velocidade intrínseca é alta, sendo o fator limitante neste caso a combinação da resposta do modulador junto à do driver eletrônico. Uma vez que os drivers possuem uma impedância não nula, a constante de tempo RC torna-se o fator limitante para esses moduladores. Para que esta constante não seja o fator limitante, pode-se dividir o braço do modulador em diversos segmentos de moduladores de fase isolados, com drivers distintos para cada um. Assim, a capacitância é reduzida e a constante deixa de ser o limitador da velocidade dos moduladores. A dificuldade deste modelo é o casamento do sinal elétrico (tempo de acionamento de cada driver) com a velocidade de propagação da onda óptica, para que a mudança de fase acumulada seja a desejada. A segunda abordagem para eliminar a constante RC é utilizar esquemas de moduladores de onda viajante (traveling-wave modulator - TWMZ), em que a onda óptica e o sinal elétrico (RF) propagam na mesma direção, com a velocidade de fase da onda RF casando com a velocidade de grupo do sinal óptico. Como no caso da junção pn polarizada reversamente, a capacitância por unidade de comprimento é baixa. Assim, é possível projetar linhas de transmissão que casem com a impedância do driver. Estes moduladores de fase são utilizados como braços de moduladores Mach-Zehnder, os quais podem ser operados como moduladores de amplitude.

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Além das configurações já citadas acima, pode-se utilizar um ressoador em anel (ring resonator) para realizar a modulação de amplitude ou de fase, dependendo da aplicação. A vantagem do modulador em anel é o baixo , porém, apresenta uma razão de extinção baixa, o que não é adequado para transmissões em enlaces ópticos longos [5]. O esquema de um modulador em anel é apresentado na Figura 28.

Figura 28: Modulador em anel

Para o modulador em anel, a função de transferência é representada pela Figura 29.

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Logo, os pontos de operação para realizar a modulação em amplitude ou em fase são mostrados na Figura 30.

Figura 30: Pontos de operação do modulador em anel

Os modulares em anel, apesar de não terem problemas de casamento de impedância, por não se tratar de uma linha de transmissão, possuem uma característica que dificulta sua aplicação em telecomunicação. Devido às ressonâncias, este dispositivo possui razão de extinção baixa, quando comparado com os MZM.

Na tabela abaixo há uma lista com alguns MZM em silício já publicados na literatura:

Tabela 2: Característica de alguns moduladores Mach-Zehnder em silício, sendo IL a perda de inserção, BW a largura de banda e ER a razão de extinção do modulador.

Ano ( ) Perda ( ) Banda EO ( ) Comprimento ( ) ( ) Constante de Atenuação ( ) Razão de Extinção DC ( ) Ref. 2007 [27] 2011 [28] 2011 [29] 2013 [30] 2014 [31]

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