칼코겐화물 유리 도파관에 통합된 그래핀 기반 편광 독립형 중적외선 전기 흡수 변조기

초록

SiO₂로 구성된 편광에 둔감한 그래핀 기반 중적외선 광 변조기가 제시됩니다. / Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ , 2개의 그래핀 층이 반타원 레이아웃으로 내장되어 동일한 흡수로 횡자기(TM) 및 횡전기(TE) 편광 모드를 지원합니다. 편파 독립 변조기의 핵심 성능 지수는 편파 감도 손실(PSL)입니다. 우리 장치의 도파관은 기본 TE 및 TM 모드만 지원하며 두 모드 간의 PSL은 <0.24dB입니다. 이 모델은 16dB 이상의 소광비(ER)와 1dB 미만의 삽입 손실을 제공할 수 있습니다. 작동 스펙트럼 범위는 2~2.4μm이며 광 대역폭은 400nm입니다. 3dB 변조 대역폭은 이론상 계산에 따라 최대 136GHz입니다.

소개

근적외선 파장의 광섬유 통신망은 전체 통신망의 핵심이 되고 있습니다. 그러나 중적외선은 또한 적외선 대책, 화학물질 감지, 적외선 유도, 환경 모니터링, 우주 통신 등과 같은 군사 및 민간 분야의 전기 광학 장치 응용 분야에 중요한 파장대역입니다. 또한, 중적외선은 광검출기 및 변조기와 같은 통합 전기 광학 장치도 1.55μm 통신 창을 확장하기 위해 개발되었습니다.

최근에는 그래핀[1,2,3,4], 칼코게나이드[5], 흑인[6]과 같은 2차원 기능성 전기광학 재료가 발견되어 집적 전기광학 및 기존의 성능 한계를 깨뜨렸습니다. 이 재료들 중에서 그래핀은 넓은 스펙트럼에 걸쳐 일정한 흡수[8], 실온에서 초고 캐리어 이동도[9], 전기적으로 제어할 수 있는 것과 같은 몇 가지 매력적인 장점[7]으로 인해 광변조기 구현을 위한 이상적인 재료로 간주됩니다. 전도성 및 CMOS 처리와의 호환성. 결과적으로 그래핀 기반 광 변조기는 뜨거운 연구 주제가 되었습니다. 그러나 현재까지 가장 많이 보고된 그래핀 기반 광변조기의 동작 파장대는 약 1.31μm 또는 1.55μm이다[10,11,12,13]. 근적외선과 중적외선의 변조 원리는 동일하지만 변조기의 작동 파장은 주로 도파관 투명도 창에 따라 다릅니다. 그래핀 기반 중적외선 변조기 구현의 핵심은 그래핀과 다양한 중적외선 도파관 재료의 통합입니다. 2017년에 Lin et al. [14]는 Ge₂₃ 기반의 중적외선 전기 흡수 광 변조기를 보고했습니다. Sb₇ S₇₀ - 그래핀 기반 중적외선 변조기의 영역을 연 그래핀 구조.

그래핀은 전기광학 재료로서 본 논문[16]에서 실험적으로 증명된 이방성 유전체[15]의 가장 중요한 특성 중 하나를 고려해야 한다. 평면 유전율은 조정 가능하지만 수직 유전율은 2.5의 상수입니다. 따라서 그래핀은 면내 전기장과만 강하게 상호작용할 수 있습니다. ,11,12,13]. 일반적으로 도파관이나 광섬유에서 빛의 편광 상태는 무작위입니다. 그래핀 기반 변조기의 광범위한 상업적 응용을 실현하려면 편광 의존성 문제를 해결해야 합니다.

이 연구에서 우리는 큰 변조 대역폭과 넓은 스펙트럼의 편광 둔감성의 장점을 가진 그래핀 기반 중적외선 편광 독립형 전기 광학 변조기의 새로운 구조를 제시합니다. SOI 구조와 Ge₂₃을 사용했습니다. Sb₇ S₇₀ SiO₂에 내장된 유리 스트립 도파관 코어로 클래딩. Ge₂₃에서 Sb₇ S₇₀ 도파관, 두 개의 그래핀 층은 U(반타원)형 분포이며 Ge₂₃에 의해 절연됩니다. Sb₇ S₇₀ 유리. 그래핀 층이 U형 분포이기 때문에 TE 및 TM 모드 모두 그래핀과 강하게 상호작용할 수 있습니다. 구조 매개변수를 적절하게 선택하면 편광 의존성을 잘 극복할 수 있습니다. 유한요소법(FEM)을 이용하여 유효모드지수(EMI)와 흡수계수(α ) U -구조 장치. 결과는 TE에 대한 EMI의 실수 부분(N _테 ) 및 TM(N _시간 ) 모드는 서로 다른 화학적 전위(μ)에서 동일한 변동(일정한 차이)을 가집니다. _ㄷ ) 및 TE 및 TM 모드의 허수 부분은 넓은 스펙트럼에서 거의 동일한 변동 및 파장 독립적입니다. "ON" 및 "OFF" 상태에 대한 스위칭 포인트를 적절히 선택함으로써 TE 및 TM 모드 모두에 대해 변조 깊이는 16dB 이상, 작동 파장 스펙트럼은 2-2.4μm, PSL은 0.24dB 미만, 이론상 3dB 변조 대역폭은 136GHz만큼 높습니다.

방법

Ge₂₃의 투명도 창 Sb₇ S₇₀ 유리의 범위는 2~10μm[17]이며, 이는 중적외선 포토닉스를 위한 훌륭한 재료입니다. Lin et al. [14] Ge₂₃ 실현 가능성을 입증했습니다. Sb₇ S₇₀ -그래핀 중적외선 변조기. 이 작업에서는 Ge₂₃도 사용합니다. Sb₇ S₇₀ 도파관 재료로 유리. 우리가 제안한 변조기의 기하학적 구조는 그림 1에 나타나 있으며, 이는 열 나노임프린트 공정을 사용하여 제작되었습니다. 공정 단계의 세부 사항은 그림 1에 개략적으로 설명되어 있습니다. PDMS 합성 스탬프 및 Ge₂₃ 준비에 대한 세부 정보를 얻기 위해 논문 [18]을 참조할 수도 있습니다. Sb₇ S₇₀ 유리 솔루션. 기하학적 크기 및 재료에 대한 세부 정보는 그림 2b에 나와 있습니다.

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Ge₂₃에 통합된 그래핀 기반 변조기의 개략적인 공정 흐름 Sb₇ S₇₀

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편광 독립 전기 흡수 광 변조기의 그림. 아 변조기의 3D 개략도; ㄴ U-구조 Ge₂₃의 2D 단면 Sb₇ S₇₀ -그래핀 도파관, 두 그래핀 층 사이의 거리 d =50 nm, 도파관 폭 w =0.96μm, 높이 h =0.8μm. TE 모드에 대한 전기장 분포(c ) 및 TM 모드(d ), 화살표는 편광 방향을 나타냅니다.

SiO₂ 두께 h =0.8 μm인 층을 Si 기판 위에 성장시킨 다음, 폭 w =0.96 μm 및 높이 h =0.8 μm의 홈을 SiO₂에 만들었습니다. 포토리소그래피 방법을 사용하여 층을 형성합니다. Ge₂₃를 채운 후 Sb₇ S₇₀ U형 Ge₂₃인 열나노임프린트에 의한 용액 및 패터닝 Sb₇ S₇₀ 홈이 만들어졌습니다. 10nm 두께의 육각형 질화붕소(hBN) 층이 평평한 영역에 포장되었습니다. 그런 다음 첫 번째 그래핀 층, 50nm 두께(스핀 코팅) Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ 절연체와 두 번째 그래핀 층은 U형 Ge₂₃에 포장되었습니다. Sb₇ S₇₀ 그루브를 순서대로. 마지막으로 U형 Ge₂₃를 채웠습니다. Sb₇ S₇₀ Ge₂₃가 있는 홈 Sb₇ S₇₀ 용액과 hBN 클래딩을 옮기고 전극을 추가했습니다. 전극 구조는 그래핀과 Pd 사이의 접촉 저항이 100(Ω/μm) 미만이기 때문에 Au-Pd-그래핀이다[19]. 전극과 도파관 사이의 그래핀 시트 너비는 0.8 μm입니다. 그림 2c, d는 TE(평면 내) 및 TM(수직 평면) 모드 모두에 대한 전기장 분포를 나타냅니다.

그래핀에 전압을 가하면 그래핀의 화학적 포텐셜 μ _ㄷ 동적으로 조정됩니다. 우리 모델에서 그래핀은 이방성 물질로 취급됩니다. 수직 유전율 ε _⊥ 그래핀의 μ _ㄷ 항상 2.5의 상수로 유지되는 반면 그래핀의 면내 유전율 ε _‖ [12]로 조정할 수 있습니다.

$$\varepsilon_{\parallel } \left( \omega \right) =1 + \frac{i\delta }{{\omega \varepsilon_{0} h_{g} }}$$ (1)

δ 그래핀의 전도도를 나타내며 화학적 전위 μ와 관련이 있습니다. _ㄷ , 이는 Kubo 공식[20]에서 추론할 수 있습니다. ω 라디안 주파수를 나타내며 h _g =0.7 nm는 그래핀의 유효 두께입니다.

Ge₂₃을 만들었습니다. Sb₇ S₇₀ 두 개의 평평한 그래핀 층이 내장된 스트립 도파관(그림 3 삽입). 그림 3은 2.2μm의 파장에서 TE 및 TM 모드 모두에 대한 EMI의 실수부와 허수부를 표시합니다. TE 모드의 EMI는 실수부와 허수부 모두에서 분명히 변경되었습니다. 반대로, 실수부와 허수부 모두 TM 모드의 EMI에 큰 변동이 발생하지 않았습니다. 주된 이유는 TM 모드 편광이 그래핀 평면에 수직이고 ε _‖ 화학적 포텐셜에서 조정할 수 없습니다. 이 작업에서 우리는 TE 및 TM 모드 모두에 동일한 영향을 부과하기 위해 U형 레이아웃으로 그래핀 층을 구부립니다.

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그래핀은 Ge₂₃에서 곧바로 포장되었습니다. Sb₇ S₇₀ 스트립 도파관. 2.2μm의 파장에서 TE 및 TM 모드 모두에 대한 EMI의 실수부 및 허수부

결과 및 토론

그래핀을 기반으로 한 편광 독립형 전기 광학 변조기가 보고되었지만[15,16,17,18,19,20,21], 이러한 장치의 편광 독립성은 파장과 밀접한 관련이 있습니다[22]. 따라서 우리 모델에서는 도파관 편파의 감도가 파장과 약한 상관 관계를 갖는 U-구조가 사용됩니다. EMI의 허수 부분은 전기 흡수로 알려져 있습니다. 그림 3과 같이 EMI의 허수부는 μ 부근의 낮은 화학 포텐셜에서 피크에 도달합니다. _ㄷ =0.1eV. 따라서 μ _ㄷ =0.1 eV 포인트는 "OFF" 상태 포인트로 선택할 수 있습니다. 동시에, TE와 TM 모드 사이의 EMI의 허수부의 불일치는 "OFF" 상태 지점에서 가장 높습니다. 흡수의 불일치를 줄이려면 "OFF" 상태 지점에서 흡수의 불일치를 최소화하면 됩니다. μ _ㄷ 0.1 ~ 0.8 eV, 다른 Rb(수직축인 타원의 주요 반경 크기)에서 다양한 μ의 영향 _ㄷ 그림 4a와 같이 TE 및 TM 모드 모두에 대한 EMI에 대해 분석됩니다. Rb가 0.35에서 0.55μm로 조정됨에 따라 TE와 TM 모드 간의 불일치 값이 급격히 감소하는 것이 분명합니다. Rb =0.55um 부근에서 더 낮은 PSL에 도달할 수 있음을 나타냅니다. 따라서 매개변수 Rb를 약 0.55μm로 스위핑하면 TE와 TM 모드 간의 흡수 불일치가 먼저 감소한 다음 Rb가 증가함에 따라 증가한다는 것을 알 수 있습니다. Rb =0.565 μm 지점에서 최소값을 얻을 수 있습니다.

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아 μ의 함수로서의 TE 및 TM 모드의 흡수 계수 _ㄷ 다른 Rb에서(파장 =2.2μm, Ra =0.35μm); ㄴ Rb의 함수로서의 TE 및 TM 모드의 흡수 계수(Ra =0.35μm, 파장 =2.2μm, μ _ㄷ =0.1eV)

Ra =0.35μm, Rb =0.565μm, 파장 =2.2μm일 때 화학 포텐셜이 있는 TE 및 TM 모드 모두에 대한 EMI의 변화를 분석했습니다. 그림 5와 같이 EMI의 실수 부분은 일정한 차이로 TE 및 TM 모드에서 동일한 변동 경향을 보입니다. 변조기는 전기 흡수 원리를 기반으로 하기 때문에 EMI의 허수 부분만 신경 쓰면 됩니다. 또한 모든 μ _ㄷ 값, α TE와 TM 모두 거의 동일합니다. 분극 독립형 전기 흡수 변조기를 설계하기 위해 필요한 특성입니다. α의 최고값과 최저값 (EMI의 허수부에 비례) μ에서 얻을 수 있습니다. _ㄷ =0.1 eV 및 μ _ㄷ =0.8 eV, 각각 (그림 5). 따라서 μ의 점은 _ㄷ =0.1 eV 및 μ _ㄷ =0.8 eV는 "OFF" 및 "ON" 상태 포인트로 선택할 수 있습니다.

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화학 포텐셜의 함수로서 TE 및 TM 모드 모두에 대한 EMI의 실수부 및 허수부 그림

α의 변형 파장의 함수는 그림 6a, b에 나와 있습니다. α 두 모드의 파장 변화는 강한 흡수 상태("OFF" 상태)와 매우 동일하며 두 모드 간의 차이는 비교적 작게 유지되었습니다. "ON" 상태에서 TE와 TM 모드 간의 α 불일치는 10^–4 정도입니다. . 두 모드 간의 불일치를 더 정확하고 정확하게 측정하기 위해 PSL은 PSL =ER(TE)-ER(TM)으로 정의되며, 여기서 ER은 소광비입니다. 우리는 200μm 길이의 도파관 조건에서 파장의 함수로 두 가지 모드에서 변조기의 변조 깊이를 측정했습니다. 그림 7과 같이 2~2.4μm의 넓은 스펙트럼 범위에서 두 모드의 변조 깊이는 16dB 이상이고 PSL은 0.24dB 미만임을 다이어그램에서 알 수 있습니다.

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흡수 계수(α ) TE와 TM의 변동은 "OFF" 상태(a ) 및 "켜짐" 상태(b )

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두 모드의 변조 깊이 및 서로 다른 파장에서 두 모드 간의 PSL(라인 ER(TE-TM))

광 변조기의 경우 3dB 변조 대역폭 f _3dB 항상 우려해야 할 중요한 매개변수 중 하나입니다. 그래핀은 상온에서 매우 높은 캐리어 이동도를 가지므로 그래핀 기반 변조기의 작동 속도는 더 이상 기존 반도체 변조기처럼 소수 캐리어 수명에 의해 제한되지 않습니다. f _3dB 그래핀 기반 변조기는 주로 RC 지연에 의해 방해를 받으며, 이는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

$$f_{{3\;{\text{dB}}}} =\frac{1}{2\pi RC}$$ (2)

R 는 이전 연구[23]-[25]에서 주의 깊게 논의된 그래핀 시트 저항 Rs 및 금속-그래핀 접촉 저항 Rc를 포함하는 장치의 총 저항입니다. C 는 두 개의 그래핀 플레이크에 의해 형성된 커패시터로 주로 구성된 변조기의 커패시턴스입니다. 이 커패시터는 이상적인 평행판 커패시터 모델은 아니지만 f _3dB , 우리는 여전히 평행판 커패시터 모델을 사용하여 C . 계산에서 Rc =100 Ω/μm[19] 및 Rs =200 Ω/μm[26]이 사용되었으며 두 그래핀 플레이크의 겹침 너비는 약 1.53μm입니다. 예상 f_3dB 최대 136GHz입니다. 더욱이, Rs와 Rc의 더 낮은 값은 미래에 가능하며, 이는 더 높은 f를 의미합니다. _3dB 얻을 수 있습니다.

위의 시뮬레이션은 Ra =0.35μm 및 Rb =0.565μm인 반타원 레이아웃을 기반으로 합니다. 그러나 제조 시 이 정확한 반경 크기가 항상 보장되는 것은 아닙니다. 따라서 우리는 제조 허용 오차도 조사했습니다(그림 8). Ra가 0.345에서 0.355μm로 변하거나(그림 8a), Rb가 0.56에서 0.57μm로 변할 때(그림 8b), 두 모드 사이의 PSL은 여전히 0.6dB보다 낮습니다. 따라서 우리 장치는 제작 허용 오차가 큽니다.

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다른 Ra(a ) 또는 Rb(b )

결론

결론적으로 우리는 광대역 편파 독립 그래핀 기반 중적외선 전기흡수 광변조기의 개념을 제시하였다. 우리의 구조에서 U-구조 이중층 그래핀은 칼코겐화물 유리 도파관에 배치됩니다. 다양한 그래핀 화학 전위, 다양한 파장 및 다양한 짧은 반경 길이에서 TE 및 TM 모드 모두에 대한 그래핀 유도 EMI 변화가 조사되었습니다. 결과는 TE 및 TM 모드가 중적외선 2-2.4μm에서 거의 동일한 흡수 계수 변화를 가지며 이는 편광 독립 변조의 요구 사항을 충족함을 보여줍니다. 이러한 구조를 기반으로 200μm 길이의 변조기는 16dB 이상의 변조 깊이를 갖는다. 두 모드 간의 변조 깊이 차이는 0.24dB이며 장치의 이론적인 변조 대역폭은 136GHz에 달합니다. 우리는 이 중적외선 편광 독립형 그래핀 기반 전기 광학 변조기가 중적외선 대역에서 그래핀 기반 변조기의 연구를 더욱 촉진할 것이라고 믿습니다.

데이터 및 자료의 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.

약어

ER:: 소광율
TM:: 횡방향 자기
TE:: 가로 전기
PSL:: 편광 감도 손실
FEM:: 유한요소법
EMI:: 유효 모드 인덱스
hBN:: 육각형 질화붕소

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