Polarisatie-onafhankelijke mid-infrarood grafene electro-absorptiemodulator op chalcogenideglas-golfgeleider

Samenvatting

Een polarisatie-ongevoelige, grafene-gebaseerde mid-infrarood optische modulator wordt gepresenteerd, bestaande uit SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀, waarin twee grafene lagen met een semi-ellipsvormige indeling zijn ingesloten om transversale magnetische (TM) en transversale elektrische (TE) polarisatiemodi te ondersteunen met identieke absorptie. De belangrijkste prestatie-index voor de polarisatie-onafhankelijke modulator is de polarisatiegevoeligheidsverlies (PSL). De golfgeleider van ons apparaat ondersteunt alleen de fundamentele TE- en TM-modi, en het PSL tussen de twee modi is < 0,24 dB. Het model kan een extinctieratio (ER) van meer dan 16 dB bieden en een insertieverlies van minder dan 1 dB. Het operationele spectrum strekt zich uit van 2 tot 2,4 μm met een optische bandbreedte van 400 nm. De 3 dB modulatiebandbreedte is theoretisch zo hoog als 136 GHz.

Inleiding

Nabij-infrarood golfengte optische vezelcommunicatienetwerken vormen de kern van de gehele telecommunicatie-infrastructuur. Echter, het mid-infrarood is ook een belangrijk golfengtegebied voor de toepassing van elektro-optische apparaten in militaire en burgerlijke sectoren, zoals infraroodcontremaatregelen, chemische sensoren, infraroodgeleiding, milieucontrole, ruimtecommunicatie, enz. Daarnaast worden geïntegreerde mid-infrarood elektro-optische apparaten, zoals fotodetectoren en modulatoren, ontwikkeld om het 1,55 μm communicatievenster te vergroten.

In de afgelopen jaren zijn 2D functionele elektro-optische materialen, zoals grafene [1,2,3,4], chalcogeniden [5], en zwart fosfor [6], ontdekt, wat de ontwikkeling van geïntegreerde elektro-optica versnelde en traditionele prestatiebeperkingen doorbrak. Onder deze materialen wordt grafene beschouwd als een ideaal materiaal voor het realiseren van optische modulatoren vanwege aantrekkelijke voordelen [7], zoals constante absorptie over een breed spectrum [8], ultra-hoge ladingsdrager-mobiliteit bij kamertemperatuur [9], elektrisch controleerbare geleidbaarheid en compatibiliteit met CMOS-verwerking. Daardoor is de grafene-gebaseerde optische modulator een hot onderzoeksonderwerp geworden. Tot nu toe ligt het operationele golfengtegebied van de meeste gerapporteerde grafene-gebaseerde optische modulatoren rond 1,31 μm of 1,55 μm [10,11,12,13]. Het modulatieprincipe van nabij-infrarood en mid-infrarood is hetzelfde, maar de operationele golfengte van de modulator hangt voornamelijk af van de transparantievensters van de golfgeleider. Het sleutelpunt voor de realisatie van grafene-gebaseerde mid-infrarood modulatoren is de integratie van grafene en diverse mid-infrarood golfgeleidermaterialen. In 2017 rapporteerden Lin et al. [14] een mid-infrarood electro-absorptie optische modulator gebaseerd op een Ge₂₃Sb₇S₇₀-op-grafene structuur, wat het veld van grafene-gebaseerde mid-infrarood modulatoren opende.

Als elektro-optisch materiaal moeten we ook rekening houden met een van de belangrijkste kenmerken van anisotrope dielectrica [15], wat experimenteel is bewezen in dit artikel [16]. De permitiviteit in het vlak is afstembaar, maar de permitiviteit in verticale richting is een constante van 2,5. Daarom kan grafene alleen sterk interacteren met het in-vlak elektrische veld [10], wat de reden is waarom eerder gerapporteerde grafene-gebaseerde modulatoren een sterke polarisatie-afhankelijkheid vertonen, waarbij modulatoren alleen het in-vlak elektrische veldmodus kunnen moduleren [10,11,12,13]. Over het algemeen is de polarisatiestoestand van licht in een golfgeleider of vezel willekeurig. Om de brede commerciële toepassing van grafene-gebaseerde modulatoren te realiseren, moet het probleem van polarisatie-afhankelijkheid worden opgelost.

In dit werk presenteren we een nieuwe structuur van een grafene-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 Ge₂₃Sb₇S₇₀ glasstrip die is ingesloten in SiO₂ cladding als golfgeleiderkern. In de Ge₂₃Sb₇S₇₀ golfgeleider zijn twee grafene lagen U-type (semi-ellips) verdeeld en geïsoleerd door Ge₂₃Sb₇S₇₀ glas. Omdat de grafene laag U-type verdeeld is, kunnen zowel TE- als TM-modi sterk interacteren met grafene. Door de juiste structurele parameters te kiezen, kunnen we de polarisatie-afhankelijkheid goed overwinnen. Met de elementenmethode (FEM) hebben we de effectieve modusindex (EMI) en absorptiecoëfficiënt (α) van het U-structuur apparaat geanalyseerd. Het resultaat toont aan dat de reële delen van EMI voor TE (N_te) en TM (N_tm) modi dezelfde fluctuaties hebben (met constante verschil) bij verschillende chemische potentieel (μ_c), en de imaginaire delen van zowel TE- als TM-modi hebben bijna identieke fluctuaties en zijn golfengte-onafhankelijk in een breed spectrum. Door de juiste schakelpunten voor "AAN" en "UIT" staten te kiezen, is voor zowel TE- als TM-modi de modulatie-diepte meer dan 16 dB, het operationele golfengte-spectrum is 2–2,4 μm, het PSL is minder dan 0,24 dB, en de theoretische 3 dB modulatiebandbreedte is zo hoog als 136 GHz.

Methoden

Het transparantievenster van Ge₂₃Sb₇S₇₀ glas varieert van 2 tot 10 μm [17], wat een geweldig materiaal is voor mid-infrarood fotonica. Eerder onderzoek onder leiding van Lin et al. [14] heeft de haalbaarheid bewezen om een Ge₂₃Sb₇S₇₀-grafene mid-infrarood modulator te realiseren. In dit werk nemen we ook Ge₂₃Sb₇S₇₀ glas als golfgeleidermateriaal. De geometrische structuur van onze voorgestelde modulator is weergegeven in Fig. 1, geproduceerd met een thermisch nano-imprintproces. Details van de processtappen zijn schematisch geïllustreerd in Fig. 1. U kunt ook naar papier [18] verwijzen voor details over de bereiding van PDMS composietstempels en Ge₂₃Sb₇S₇₀ glasoplossing. Details voor geometrische afmetingen en materialen worden gepresenteerd in Fig. 2b.

Een SiO₂ laag met dikte h = 0,8 μm werd gegroeid op Si-substraat, en vervolgens werd een groef met breedte w = 0,96 μm en hoogte h = 0,8 μm in de SiO₂ laag gemaakt met fotolithografie. Na het vullen met Ge₂₃Sb₇S₇₀ oplossing en patroneren door thermisch nano-imprint, werd een U-type Ge₂₃Sb₇S₇₀ groef gemaakt. Een 10 nm dik hexagonale boornitride (hBN) laag werd op het vlakke gebied aangebracht. Vervolgens werden de eerste grafene laag, 50 nm dik (spinnen) Ge₂₃Sb₇S₇₀ isolator en tweede grafene laag in volgorde in de U-type Ge₂₃Sb₇S₇₀ groef aangebracht. Ten slotte vulden we de U-type Ge₂₃Sb₇S₇₀ groef met Ge₂₃Sb₇S₇₀ oplossing en overgebracht hBN cladding en voegden elektrode toe. De elektrodestructuur is Au-Pd-grafene aangezien de contactweerstand tussen grafene en Pd minder dan 100(Ω/μm) is [19]. Grafene velle breedte tussen elektrode en golfgeleider is 0,8 μm. Figuur 2c, d presenteert de elektrische veldverdeling voor zowel TE (in-vlak) als TM (verticaal-vlak) modi.

Wanneer spanning op de grafene wordt aangebracht, wordt het chemische potentieel μ_c van de grafene dynamisch afgestemd. In ons model wordt grafene behandeld als een anisotroop materiaal. De loodrechte permitiviteit ε_⊥ van de grafene varieert niet met μ_c en blijft constant 2,5, terwijl de in-vlak permitiviteit van de grafene 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 grafene en hangt samen met chemisch potentieel μ_c, wat kan worden afgeleid uit de Kubo-formule [20]. De ω vertegenwoordigt de hoekfrequentie, en h_g = 0,7 nm is de effectieve dikte van grafene.

We maakten een Ge₂₃Sb₇S₇₀ strip golfgeleider, waarin twee platte grafene lagen waren ingesloten (Fig. 3 inset). Figuur 3 toont de reële en imaginaire delen van EMI voor zowel TE- als TM-modus bij de golfengte van 2,2 μm. De EMI van TE-modus veranderde duidelijk voor zowel reële als imaginaire delen. Aan de andere kant traden geen significante fluctuaties op in de EMI van TM-modus voor zowel reële als imaginaire delen. De hoofdoorzaak is dat TM-modus polarisatie loodrecht is op het grafene vlak en ε_‖ niet afstembaar is in chemisch potentieel. In dit werk buigen we de grafene laag als U-type indeling om gelijke invloed op zowel TE- als TM-modi uit te oefenen.

Resultaten en Discussie

Hoewel de polarisatie-onafhankelijke elektro-optische modulator gebaseerd op grafene is gerapporteerd [15,16,17,18,19,20,21], is de polarisatie-onafhankelijkheid van deze apparaten nauw gerelateerd aan golfengte [22]. Daarom gebruiken we in ons model de U-structuur, waarin we vinden dat de gevoeligheid van de golfgeleider polarisatie zwak gecorreleerd is met golfengte. Het imaginaire deel van de EMI is bekend als electro-absorptie. Zoals getoond in Fig. 3, bereikt het imaginaire deel van de EMI een piek bij laag chemisch potentieel rond μ_c = 0,1 eV. Dus het μ_c = 0,1 eV punt kan worden gekozen als "UIT" staat punt. Tegelijkertijd is de discrepantie van het imaginaire deel van de EMI tussen TE- en TM-modi het hoogst bij het "UIT" staat punt. Om een lagere discrepantie van absorptie te krijgen, hoeven we alleen de discrepantie van absorptie bij het "UIT" staat punt te minimaliseren. Bij golfengte = 2,2 μm en Ra = 0,35 μm (grootte van de kleine straal van de ellips, dat is de horizontale as), door μ_c te varieren van 0,1 tot 0,8 eV, onder verschillende Rb (grootte van de grote straal van de ellips, dat is de verticale as), wordt de invloed van gevarieerd μ_c op EMI voor zowel TE- als TM-modi geanalyseerd, zoals getoond in Fig. 4a. Het is duidelijk dat de discrepantiewaarden tussen de TE- en TM-modi snel afnemen als Rb wordt afgestemd van 0,35 tot 0,55 μm. Dit wijst erop dat het mogelijk is om een lager PSL te bereiken rond Rb = 0,55 μm. Daarom, door de parameter Rb rond 0,55 μm te varieren, vinden we dat de discrepantie van absorptie tussen TE- en TM-modi eerst afneemt en toenem met de toename van Rb. Bij het punt Rb = 0,565 μm kan een minimumwaarde worden verkregen.

Bij Ra = 0,35 μm, Rb = 0,565 μm, golfengte = 2,2 μm, 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 constante verschil. Aangezien de modulator gebaseerd is op het electro-absorptieprincipe, hoeven we ons alleen te richten op het imaginaire deel van EMI. Wat meer is, onder alle μ_c waarden, zijn de α van zowel TE als TM bijna identiek. Het is de eigenschap die we nodig hebben voor het ontwerpen van een polarisatie-onafhankelijke electro-absorptie modulator. Een hoogste en laagste waarde van α (evenredig aan het imaginaire 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 "UIT" en "AAN" staat punt.

De variatie van α als functie van golfengte wordt gepresenteerd in Fig. 6a, b. Uit Fig. 6 is te zien dat de α van de twee modi zeer identiek is met de golfengteverandering in de sterke absorptietoestand ("UIT" staat), en de verschillen tussen de twee modi zijn relatief klein gehouden. In de "AAN" staat is de discrepantie van α tussen TE- en TM-modi in de orde van 10^–4. Om de discrepantie verder en nauwkeurig te meten tussen twee modi, wordt PSL gedefinieerd als PSL = ER(TE) - ER(TM), waar ER de extinctieratio is. We maatten de modulatiediepte van de modulator in twee modi als functie van golfengte onder de voorwaarde van 200 μm lange golfgeleider. Zoals getoond in Fig. 7, is uit het diagram te zien dat in een breed spectrumbereik van 2–2,4 μm, de modulatiediepte van de twee modi meer dan 16 dB is, en PSL is minder dan 0,24 dB.

Voor een optische modulator is de 3 dB modulatiebandbreedte f_3dB altijd een van de belangrijke parameters waarover men zich zorgen maakt. Aangezien grafene ultra-hoge ladingsdrager-mobiliteit heeft bij kamertemperatuur, is de operationele snelheid van de grafene-gebaseerde modulator niet meer beperkt door de levensduur van minderheidsladingsdragers zoals bij traditionele halfgeleider modulatoren. De f_3dB van een grafene-gebaseerde modulator wordt voornamelijk belemmerd door RC-vertraging, wat kan worden uitgedrukt als

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

De R is de totale weerstand van het apparaat, inclusief grafene velle weerstand Rs en metaal-grafene contactweerstand Rc, wat zorgvuldig is besproken in eerdere werken [23]-[25]. De C is de capaciteit van de modulator, die voornamelijk bestaat uit de condensator die wordt gevormd door de twee grafene flodders. Hoewel deze condensator geen ideaal parallelplaat condensator model is, gebruiken we voor een voorlopige schatting van de f_3dB nog steeds het parallelplaat condensator model om de C te berekenen. In onze berekeningen werden Rc = 100 Ω/μm [19] en Rs = 200 Ω/μm [26] gebruikt, en de overlappende breedte van twee grafene flodders is ongeveer 1,53 μm. De geschatte f_3dB is zo hoog als 136 GHz. Bovendien zijn lagere waarden van zowel Rs als Rc in de toekomst mogelijk, wat betekent dat hogere f_3dB kan worden verkregen.

De bovenstaande simulaties zijn gebaseerd op de semi-ellips indeling met Ra = 0,35 μm en Rb = 0,565 μm. Echter, in de fabricage kan deze exacte straalgrootte niet altijd gegarandeerd worden. Daarom hebben we ook de fabricagetolerantie onderzocht (Fig. 8). Wanneer Ra varieert van 0,345 tot 0,355 μm (Fig. 8a), of Rb varieert van 0,56 tot 0,57 μm (Fig. 8b), is het PSL tussen twee modi nog steeds lager dan 0,6 dB. Dus ons apparaat heeft een grote fabricagetolerantie.

Conclusies

Concluderend, we presenteerden een concept van een breedband polarisatie-onafhankelijke grafene-gebaseerde mid-infrarood electro-absorptie optische modulator. In onze structuur wordt een U-structuur dubbele-laag grafene geplaatst in chalcogenideglas golfgeleider. Onder verschillende grafene chemische potentiëlen, verschillende golfengtes en verschillende kleine straallengtes, worden de grafene-geïnduceerde EMI variaties voor zowel TE- als TM-modi onderzocht. De resultaten tonen aan dat TE- en TM-modi bijna identieke absorptiecoëfficiënt variatie hebben in het mid-infrarood 2–2,4 μm, wat voldoet aan de eis van polarisatie-onafhankelijke modulatie. Gebaseerd op deze structuur heeft de modulator met een lengte van 200 μm een modulatie-diepte van meer dan 16 dB. Het modulatie-diepte verschil tussen de twee modi is 0,24 dB, en de theoretische modulatiebandbreedte van het apparaat is zo hoog als 136 GHz. We geloven dat deze mid-infrarood polarisatie-onafhankelijke grafene-gebaseerde elektro-optische modulator het onderzoek naar de grafene-gebaseerde modulator in de midden-infrarood banden verder zal bevorderen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

ER:

Extinctieratio

TM:

Transversaal magnetisch

TE:

Transversaal elektrisch

PSL:

Polarisatiegevoeligheidsverlies

FEM:

Elementenmethode

EMI:

Effectieve modusindex

hBN:

Hexagonale boornitride