Grafeen-gebaseerde polarisatie-onafhankelijke mid-infrarood elektro-absorptiemodulator geïntegreerd in een chalcogenide glazen golfgeleider

Abstract

Een polarisatie-ongevoelige, op grafeen gebaseerde mid-infrarood optische modulator wordt gepresenteerd die SiO₂ omvat / Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ , waarin twee grafeenlagen zijn ingebed met een semiellips-lay-out om transversale magnetische (TM) en transversale elektrische (TE) polarisatiemodi met identieke absorptie te ondersteunen. De belangrijkste prestatie-index voor de polarisatie-onafhankelijke modulator is polarisatiegevoeligheidsverlies (PSL). De golfgeleider van ons apparaat ondersteunt alleen de standaard TE- en TM-modi, en de PSL tussen twee modi is < 0,24 dB. Het model kan een extinctieverhouding (ER) van meer dan 16 dB en een invoegverlies van minder dan 1 dB bieden. Het werkingsspectrum varieert van 2 tot 2,4 m met een optische bandbreedte van 400 nm. De modulatiebandbreedte van 3 dB is zo hoog als 136 GHz op basis van theoretische berekening.

Inleiding

Nabij-infrarode golflengte optische vezelcommunicatienetwerken worden de kern van de hele telecommunicatienetwerken. Het midden-infrarood is echter ook een belangrijke golfband voor de toepassing van elektro-optische apparaten in militaire en civiele gebieden, zoals infrarood tegenmaatregelen, chemische detectie, infraroodgeleiding, omgevingsmonitoring, ruimtecommunicatie, enz. Bovendien is midden-infrarood geïntegreerde elektro-optische apparaten, zoals fotodetectoren en modulatoren, zijn ook ontwikkeld om het communicatievenster van 1,55 μm uit te breiden.

De afgelopen jaren zijn 2D-functionele elektro-optische materialen ontdekt, zoals grafeen [1,2,3,4], chalcogenide [5] en zwarte fosfor [6], die de ontwikkeling van geïntegreerde elektro-optische en brak de traditionele prestatiebeperking. Onder deze materialen wordt grafeen beschouwd als een ideaal materiaal voor het realiseren van optische modulatoren vanwege enkele aantrekkelijke voordelen [7], zoals constante absorptie over een breed spectrum [8], ultrahoge mobiliteit van dragers bij kamertemperatuur [9], elektrisch regelbaar geleidbaarheid en compatibiliteit met CMOS-verwerking. Bijgevolg is op grafeen gebaseerde optische modulator een populair onderzoeksonderwerp geworden. Verreweg de werkingsgolfband van de meeste gerapporteerde op grafeen gebaseerde optische modulatoren is echter ongeveer 1,31 m of 1,55 m [10,11,12,13]. Het modulatieprincipe van nabij-infrarood en midden-infrarood is hetzelfde, maar de werkingsgolflengte van de modulator hangt voornamelijk af van de golfgeleidertransparantievensters. Het belangrijkste punt voor de realisatie van op grafeen gebaseerde mid-infraroodmodulatoren is de integratie van grafeen en verschillende mid-infrarode golfgeleidermaterialen. In 2017 hebben Lin et al. [14] rapporteerde een midden-infrarood elektro-absorptie optische modulator gebaseerd op Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ -op-grafeenstructuur, die het veld opende van op grafeen gebaseerde mid-infraroodmodulatoren.

Grafeen als elektro-optisch materiaal, we moeten ook rekening houden met een van de belangrijkste kenmerken van anisotroop diëlektricum [15], dat experimenteel is bewezen in dit artikel [16]. De permittiviteit in het vlak is afstembaar, maar de permittiviteit in verticaal is een constante van 2,5. Het grafeen kan dus alleen sterk interageren met het elektrische veld in het vlak [10], dat is de reden waarom eerder gerapporteerde op grafeen gebaseerde modulatoren een sterke polarisatie-afhankelijkheid hebben, waarbij modulatoren alleen in-plane elektrisch gevijlde modus kunnen moduleren [10 ,11,12,13]. Over het algemeen is de polarisatietoestand van licht in golfgeleider of vezel willekeurig. Om de brede commerciële toepassing van op grafeen gebaseerde modulatoren te realiseren, moet het probleem van polarisatie-afhankelijke worden opgelost.

In dit werk presenteren we een nieuwe structuur van op grafeen gebaseerde mid-infrarood polarisatie-onafhankelijke elektro-optische modulator, die de voordelen heeft van een grote modulatiebandbreedte en een breed spectrum van polarisatie-ongevoeligheid. We gebruikten de SOI-structuur en een Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ glazen strip die is ingebed in SiO₂ bekleding als golfgeleiderkern. In de Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ golfgeleider, twee grafeenlagen zijn U (semiellipse)-type distributie en zijn geïsoleerd door Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ glas. Aangezien de grafeenlaag een U-type distributie is, kunnen zowel de TE- als de TM-modus sterk interageren met grafeen. Door de juiste structuurparameters te kiezen, kunnen we de polarisatie-afhankelijkheid goed overwinnen. Met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM) analyseerden we de effectieve-modusindex (EMI) en de absorptiecoëfficiënt (α ) van de U -structuur apparaat. Het resultaat laat zien dat de reële delen van EMI voor TE (N _te ) en TM (N _tm ) modi hebben dezelfde fluctuaties (met constant verschil) in verschillende chemische potentiaal (μ _c ), en de denkbeeldige delen van zowel TE- als TM-modi hebben bijna identieke fluctuaties en golflengte-onafhankelijk in een breed spectrum. Door de juiste keuze van schakelpunten voor "AAN" en "UIT" toestanden, voor zowel TE- als TM-modi, is de modulatiediepte meer dan 16 dB, is het werkingsgolflengtespectrum 2-2,4 m, is de PSL minder dan 0,24 dB, en de theoretische modulatiebandbreedte van 3 dB is maar liefst 136 GHz.

Methoden

Het transparantievenster van Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ glas varieert van 2 tot 10 m [17], wat een geweldig materiaal is voor midden-infraroodfotonica. Eerdere studie onder leiding van Lin et al. [14] heeft zijn haalbaarheid bewezen om Ge₂₃ . te realiseren Sb₇ S₇₀ -grafeen mid-infrarood modulator. In dit werk nemen we ook Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ glas als golfgeleidermateriaal. De geometrische structuur van onze voorgestelde modulator is afgebeeld in Fig. 1, die werd gefabriceerd met behulp van een thermisch nano-imprintproces. Details van de processtappen worden schematisch geïllustreerd in Fig. 1. U kunt ook verwijzen naar papier [18] voor details voor de voorbereiding van PDMS-composietzegels en Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ glas oplossing. Details voor geometrische afmetingen en materialen zijn weergegeven in Fig. 2b.

Schematische processtroom van de op grafeen gebaseerde modulator geïntegreerd in Ge₂₃ Sb₇ S₇₀

Illustratie van de polarisatie-onafhankelijke elektro-absorptie optische modulator. een 3D Schematisch diagram van de modulator; b 2D-doorsnede van de U-structuur Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ -grafeen golfgeleider, afstand tussen twee grafeenlagen d = 50 nm, golfgeleiderbreedte w = 0,96 m, hoogte h =0,8 m. De elektrische veldverdeling voor TE-modus (c ) en TM-modus (d ), pijlen geven de polarisatierichting aan

Een SiO₂ laag met dikte h = 0,8 m werd gekweekt op Si-substraat, en vervolgens werd een groef met breedte w = 0,96 m en hoogte h = 0,8 m gemaakt in SiO₂ laag met behulp van de fotolithografiemethode. Na het invullen van Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ oplossing en patronen door thermische nano-afdruk, een U-type Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ groef is gemaakt. Een 10 nm dikte hexagonale boornitride (hBN) laag werd geplaveid op een vlak gebied. Vervolgens eerste grafeenlaag, 50 nm dikte (spincoating) Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ isolator en tweede grafeenlaag werden geplaveid tot het U-type Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ groef in orde. Ten slotte vulden we het U-type Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ groove met Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ oplossing en overgebrachte hBN-bekleding en toegevoegde elektrode. De elektrodestructuur is Au-Pd-grafeen aangezien de contactweerstand tussen grafeen en Pd kleiner is dan 100 (Ω/μm) [19]. De breedte van de grafeenplaat tussen elektrode en golfgeleider is 0,8 m. Figuur 2c, d presenteert de elektrische veldverdeling voor zowel TE (in-plane) als TM (vertical-plane) modi.

Wanneer er spanning op het grafeen wordt aangelegd, is de chemische potentiaal van grafeen μ _c dynamisch is afgestemd. In ons model wordt grafeen behandeld als een anisotroop materiaal. De loodrechte permittiviteit ε _⊥ van het grafeen varieert niet met de μ _c en blijft altijd als een constante van 2,5, terwijl de in-plane permittiviteit van het grafeen ε _‖ kan worden afgestemd als [12].

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

De δ staat voor de geleidbaarheid van grafeen en heeft betrekking op chemisch potentieel μ _c , die kan worden afgeleid uit de Kubo-formule [20]. De ω staat voor de radiale frequentie, en h _g = 0,7 nm is de effectieve dikte van grafeen.

We hebben een Ge₂₃ . gemaakt Sb₇ S₇₀ strip golfgeleider, waarin twee platte grafeenlagen waren ingebed (Fig. 3 insert). Figuur 3 geeft het reële en denkbeeldige deel van EMI weer voor zowel de TE- als de TM-modus bij een golflengte van 2,2 m. De EMI van de TE-modus is duidelijk veranderd voor zowel echte als denkbeeldige delen. Integendeel, er deden zich geen significante fluctuaties voor in de EMI van de TM-modus voor zowel reële als imaginaire delen. De belangrijkste reden is dat de polarisatie van de TM-modus loodrecht staat op het grafeenvlak en ε _‖ is niet-afstembaar in chemische potentiaal. In dit werk buigen we de grafeenlaag als een U-type lay-out om een gelijke invloed op zowel TE- als TM-modi te hebben.

Grafeen was recht geplaveid in Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ strip golfgeleider. De echte en denkbeeldige delen van EMI voor zowel TE- als TM-modi bij een golflengte van 2,2 m

Resultaten en discussie

Hoewel de polarisatie-onafhankelijke elektro-optische modulator op basis van grafeen is gerapporteerd [15,16,17,18,19,20,21], hangt de polarisatie-onafhankelijkheid van deze apparaten nauw samen met de golflengte [22]. Daarom wordt in ons model de U-structuur gebruikt, waarin we vinden dat de gevoeligheid van de golfgeleiderpolarisatie een zwakke correlatie is met de golflengte. Het denkbeeldige deel van het EMI staat bekend als elektro-absorptie. Zoals getoond in Fig. 3, bereikt het denkbeeldige deel van het EMI een piek bij een lage chemische potentiaal rond μ _c = 0,1 eV. Dus de μ _c = 0,1 eV-punt kan worden gekozen als "UIT"-statuspunt. Tegelijkertijd is de discrepantie van het denkbeeldige deel van de EMI tussen de TE- en TM-modi het grootst op het "UIT"-statuspunt. Om een lager verschil in absorptie te krijgen, hoeven we alleen het verschil in absorptie op het "UIT"-punt te minimaliseren. Bij golflengte = 2.2 m en Ra = 0.35 μm (grootte van de kleine straal van de ellips die de horizontale as is), door de μ te vegen _c van 0,1 tot 0,8 eV, onder verschillende Rb (grootte van de hoofdstraal van de ellips die de verticale as is), de invloed van gevarieerde μ _c op EMI voor zowel TE- als TM-modi wordt geanalyseerd, zoals weergegeven in figuur 4a. Het is duidelijk dat de discrepantiewaarden tussen de TE- en TM-modi snel afnemen naarmate Rb wordt afgestemd van 0,35 tot 0,55 m. Het geeft aan dat het mogelijk is om een lagere PSL te bereiken rond Rb = 0.55um. Daarom, als we de parameter Rb rond 0,55 m vegen, vinden we dat de discrepantie van absorptie tussen TE- en TM-modi eerst afneemt en vervolgens toeneemt met de toename van Rb. Op het punt Rb = 0.565 μm kan een minimumwaarde worden verkregen.

een Absorptiecoëfficiënt van TE- en TM-modi als functie van μ _c bij verschillende Rb, (golflengte = 2.2 m, Ra = 0.35 m); b de absorptiecoëfficiënt van de TE- en TM-modi als functie van Rb (Ra = 0,35 m, golflengte = 2,2 m, μ _c = 0,1 eV)

Wanneer Ra = 0.35 m, Rb = 0.565 m, golflengte = 2.2 m, werd de variatie van EMI voor zowel TE- als TM-modi met chemisch potentieel geanalyseerd. Zoals getoond in Fig. 5, heeft het reële deel van EMI dezelfde variatietrend voor TE- en TM-modi met constant verschil. Omdat de modulator is gebaseerd op het elektro-absorptieprincipe, hoeven we ons alleen maar zorgen te maken over het denkbeeldige deel van EMI. Wat meer is, onder alle μ _c waarden, de α van zowel TE als TM zijn bijna identiek. Het is de eigenschap die we nodig hebben voor het ontwerpen van een polarisatie-onafhankelijke elektro-absorptiemodulator. Een hoogste en laagste waarde van α (evenredig met het denkbeeldige deel van EMI) kan worden verkregen bij μ _c = 0,1 eV en μ _c =0,8 eV, respectievelijk (Fig. 5). Dus het punt van μ _c = 0,1 eV en μ _c = 0,8 eV kan worden gekozen als statuspunt "UIT" en "AAN".

Illustratie van de reële en imaginaire delen van EMI voor zowel TE- als TM-modi als een functie van chemische potentiaal

De variatie van α als functie van de golflengte wordt weergegeven in Fig. 6a, b. Uit Fig. 6 blijkt dat de α van de twee modi is zeer identiek met de golflengteverandering in de sterke absorptietoestand (“UIT”-toestand), en de verschillen tussen de twee modi zijn relatief klein gehouden. In de "AAN"-status is de discrepantie van α tussen de TE- en TM-modi in de orde van 10^–4 . Om de discrepantie tussen twee modi verder en nauwkeurig te meten, wordt PSL gedefinieerd als PSL = ER(TE)-ER(TM), waarbij ER de extinctieverhouding is. We hebben de modulatiediepte van de modulator in twee modi gemeten als een functie van de golflengte onder de voorwaarde van een 200 m lange golfgeleider. Zoals getoond in Fig. 7, kan uit het diagram worden gezien dat in een breed spectrumbereik van 2-2,4 m, de modulatiediepte van de twee modi meer dan 16 dB is en PSL minder dan 0,24 dB.

Absorptiecoëfficiënten (α ) van TE en TM hebben een bijna identieke fluctuatie met de verandering van golflengte bij "UIT" -toestand (a ) en "AAN"-status (b )

Modulatiediepte van de twee modi en PSL (lijn ER(TE-TM)) tussen twee modi op verschillende golflengten

Voor een optische modulator is de 3 dB modulatiebandbreedte f _3dB is altijd een van de belangrijke parameters om je zorgen over te maken. Omdat grafeen bij kamertemperatuur een ultrahoge draaggolfmobiliteit heeft, wordt de werksnelheid van de op grafeen gebaseerde modulator niet langer beperkt door de levensduur van minderheidsdragers, zoals traditionele halfgeleidermodulatoren. De f _3dB van een op grafeen gebaseerde modulator wordt voornamelijk belemmerd door RC-vertraging, die kan worden uitgedrukt als

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

De R is de totale weerstand van het apparaat, inclusief grafeenbladweerstand Rs en metaal-grafeen contactweerstand Rc, die zorgvuldig is besproken in eerdere werken [23]-[25]. De C is de capaciteit van modulator, die voornamelijk bestaat uit de condensator die wordt gevormd door de twee grafeenvlokken. Hoewel deze condensator geen ideaal model met parallelle-plaatcondensatoren is, om voorlopig de f . te schatten _3dB , gebruiken we nog steeds het model van de parallelle-plaatcondensator om de C . te berekenen . In onze berekeningen werden Rc = 100 /μm [19] en Rs = 200 Ω/μm [26] gebruikt, en de overlapbreedte van twee grafeenvlokken is ongeveer 1,53 m. De geschatte f_3dB is zo hoog als 136 GHz. Bovendien zijn in de toekomst lagere waarden van zowel Rs als Rc mogelijk, wat hogere f . betekent _3dB kan worden verkregen.

De bovenstaande simulaties zijn gebaseerd op de semiellips-lay-out met Ra = 0.35 m en Rb = 0.565 m. Bij fabricage kan deze exacte radius echter niet altijd worden gegarandeerd. Daarom hebben we ook de fabricagetolerantie onderzocht (Fig. 8). Wanneer Ra varieert van 0,345 tot 0,355 m (Fig. 8a), of Rb varieert van 0,56 tot 0,57 m (Fig. 8b), is de PSL tussen twee modi nog steeds lager dan 0,6 dB. Ons apparaat heeft dus een grote fabricagetolerantie.

Modulatiediepte van de twee modi bij verschillende Ra (a ) of Rb (b )

Conclusies

Concluderend presenteerden we een concept van een breedband polarisatie-onafhankelijke, op grafeen gebaseerde mid-infrarood elektro-absorptie optische modulator. In onze structuur wordt een dubbellaags grafeen met U-structuur in een golfgeleider van chalcogenideglas geplaatst. Onder verschillende chemische potentialen van grafeen, verschillende golflengten en verschillende korte straallengtes, worden de door grafeen geïnduceerde EMI-variaties voor zowel TE- als TM-modi onderzocht. De resultaten laten zien dat TE- en TM-modi bijna identieke absorptiecoëfficiëntvariatie hebben in het midden-infrarood 2-2,4 m, wat voldoet aan de eis van polarisatie-onafhankelijke modulatie. Op basis van deze structuur heeft de modulator met een lengte van 200 m een modulatiediepte van meer dan 16 dB. Het modulatiediepteverschil tussen de twee modi is 0,24 dB en de theoretische modulatiebandbreedte van het apparaat is zo hoog als 136 GHz. We zijn van mening dat deze midden-infrarood polarisatie-onafhankelijke op grafeen gebaseerde elektro-optische modulator de studie van de op grafeen gebaseerde modulator in de midden-infraroodbanden verder zal bevorderen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

ER:: Uitstervingsverhouding
TM:: Dwars magnetisch
TE:: Dwars elektrisch
PSL:: Polarisatie-gevoeligheid verlies
FEM:: Eindige elementen methode
EMI:: Effectieve modusindex
hBN:: Zeshoekig boornitride

Alternatief gelaagde, op MXene composietfilm gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator met verbeterde elektrische prestaties Studies over de elektrostatische effecten van uitgerekte PVDF-films en nanovezels

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal