Независимый от поляризации поляризационный модулятор среднего инфракрасного диапазона на основе графена, интегрированный в волновод из халькогенидного стекла

Введение

Волоконно-оптические сети связи в ближнем инфракрасном диапазоне становятся ядром всех телекоммуникационных сетей. Однако средний инфракрасный диапазон также является важным диапазоном волн для применения электрооптических устройств в военных и гражданских областях, таких как инфракрасное противодействие, химическое зондирование, инфракрасное наведение, мониторинг окружающей среды, космическая связь и т. Д. интегрированные электрооптические устройства, такие как фотодетекторы и модуляторы, также разработаны для расширения окна связи 1,55 мкм.

В последние годы были обнаружены двумерные функциональные электрооптические материалы, такие как графен [1,2,3,4], халькогенид [5] и черный фосфор [6], что ускорило развитие интегрированных электрооптических и оптических материалов. нарушил традиционное ограничение производительности. Среди этих материалов графен считается идеальным материалом для реализации оптических модуляторов из-за некоторых привлекательных преимуществ [7], таких как постоянное поглощение в широком спектре [8], сверхвысокая подвижность носителей при комнатной температуре [9], электрическая управляемость проводимость и совместимость с обработкой CMOS. Следовательно, оптический модулятор на основе графена стал горячей темой исследований. Однако до сих пор рабочий диапазон частот большинства оптических модуляторов на основе графена составляет около 1,31 мкм или 1,55 мкм [10,11,12,13]. Принцип модуляции ближнего и среднего инфракрасного диапазонов одинаков, но рабочая длина волны модулятора в основном зависит от окон прозрачности волновода. Ключевым моментом для реализации модуляторов среднего инфракрасного диапазона на основе графена является интеграция графена и различных материалов волноводов среднего инфракрасного диапазона. В 2017 году Lin et al. [14] сообщили об электронно-абсорбционном оптическом модуляторах среднего инфракрасного диапазона на основе Ge ₂₃ . Сб ₇ S ₇₀ -он-графеновая структура, которая открыла область применения модулятора среднего инфракрасного диапазона на основе графена.

Графен, как электрооптический материал, также требует учета одной из важнейших характеристик анизотропного диэлектрика [15], что экспериментально доказано в данной статье [16]. Диэлектрическая проницаемость в плоскости настраивается, однако диэлектрическая проницаемость по вертикали составляет постоянную величину 2,5. Таким образом, графен может сильно взаимодействовать только с электрическим полем в плоскости [10], поэтому описанные ранее модуляторы на основе графена имеют сильную поляризационную зависимость, в которой модуляторы могут только модулировать моду электрического поля в плоскости [10]. , 11,12,13]. Обычно состояние поляризации света в волноводе или волокне является случайным. Чтобы реализовать широкое коммерческое применение модулятора на основе графена, необходимо решить проблему зависимости от поляризации.

В этой работе мы представляем новую структуру на основе графена поляризационно-независимого электрооптического модулятора на основе графена, который имеет преимущества большой ширины полосы модуляции и широкого спектра поляризационной нечувствительности. Мы использовали структуру SOI и Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ стеклянная полоса, залитая SiO ₂ оболочка как сердцевина волновода. В Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ В волноводе два слоя графена имеют распределение типа U (полуэллипс) и изолированы Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ стекло. Поскольку слой графена имеет распределение U-типа, как TE, так и TM моды могут сильно взаимодействовать с графеном. Правильно подобрав параметры структуры, можно хорошо преодолеть поляризационную зависимость. Используя метод конечных элементов (FEM), мы проанализировали эффективный индекс моды (EMI) и коэффициент поглощения ( α ) из U -устройство конструкции. Результат показывает, что реальные части EMI для TE ( N _te ) и TM ( N _tm ) моды имеют одинаковые флуктуации (с постоянной разницей) разного химического потенциала ( μ _c ), а мнимые части как TE-, так и TM-мод имеют практически одинаковые флуктуации и независимые от длины волны в широком спектре. При правильном выборе точек переключения для состояний «ВКЛ» и «ВЫКЛ», как для режимов TE, так и для TM, глубина модуляции составляет более 16 дБ, рабочий спектр длин волн составляет 2–2,4 мкм, PSL менее 0,24 дБ, теоретическая ширина полосы модуляции 3 дБ составляет 136 ГГц.

Методы

Окно прозрачности Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ стекло толщиной от 2 до 10 мкм [17] является отличным материалом для фотоники среднего инфракрасного диапазона. Предыдущее исследование, проведенное Lin et al. [14] доказала возможность реализации Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ -графеновый модулятор среднего инфракрасного диапазона. В этой работе мы также берем Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ стекло как материал волновода. Геометрическая структура предлагаемого нами модулятора изображена на рис. 1, который был изготовлен с использованием процесса термического наноимпринта. Подробности этапов процесса схематически показаны на рис. 1. Вы также можете обратиться к статье [18], чтобы получить подробную информацию о подготовке композитных штампов PDMS и Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ стеклянный раствор. Подробная информация о геометрических размерах и материалах представлена ​​на рис. 2b.

Схема технологического процесса модулятора на основе графена, интегрированного в Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀

Иллюстрация поляризационно-независимого электроабсорбционного оптического модулятора. а Принципиальная трехмерная схема модулятора; б Двумерный разрез U-образной конструкции Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ -графеновый волновод, расстояние между двумя слоями графена d =50 нм, ширина волновода w =0,96 мкм, высота h =0,8 мкм. Распределение электрического поля для режима TE ( c ) и режим TM ( d ), стрелки указывают направление поляризации

SiO ₂ На подложке Si был выращен слой толщиной h =0,8 мкм, а затем в SiO ₂ была проделана канавка шириной w =0,96 мкм и высотой h =0,8 мкм. слой методом фотолитографии. После заполнения Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ раствор и нанесение термического наноимпринта, Ge U-типа ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ паз был сделан. На ровной поверхности был нанесен слой гексагонального нитрида бора (hBN) толщиной 10 нм. Затем первый слой графена толщиной 50 нм (спин-покрытие) Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ изолятор и второй слой графена были проложены к U-образному Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ паз по порядку. Напоследок залили U-образный Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ проточка с Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ раствора и перенесенной оболочки hBN и добавленного электрода. Электродная структура представляет собой Au – Pd-графен, поскольку контактное сопротивление между графеном и Pd менее 100 (Ом / мкм) [19]. Ширина листа графена между электродом и волноводом составляет 0,8 мкм. На рис. 2c, d показано распределение электрического поля для обоих режимов TE (в плоскости) и TM (в вертикальной плоскости).

Когда на графен подается напряжение, химический потенциал графена μ _c динамически настраивается. В нашей модели графен рассматривается как анизотропный материал. Перпендикулярная диэлектрическая проницаемость ε _⊥ графена не меняется с μ _c и всегда остается постоянной равной 2,5, тогда как диэлектрическая проницаемость графена в плоскости ε _‖ можно настроить как [12].

δ обозначает проводимость графена и относится к химическому потенциалу μ _c , которое можно вывести из формулы Кубо [20]. ω представляет частоту в радианах, а h _г =0,7 нм - эффективная толщина графена.

Мы сделали Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ полосковый волновод, в который были заделаны два плоских слоя графена (вставка на рис. 3). На рисунке 3 показаны действительная и мнимая части EMI для TE и TM моды на длине волны 2,2 мкм. Очевидно, что EMI режима TE изменились как для действительной, так и для мнимой частей. Напротив, никаких значительных колебаний EMI режима TM как для действительной, так и для мнимой частей не наблюдалось. Основная причина в том, что поляризация TM-моды перпендикулярна плоскости графена и ε _‖ не изменяет химический потенциал. В этой работе мы изгибаем слой графена как U-образный макет, чтобы оказывать одинаковое влияние как на TE, так и на TM моды.

Графен был выложен прямо в Ge ₂₃ Сб ₇ S ₇₀ полосовой волновод. Действительная и мнимая части EMI для TE и TM мод на длине волны 2,2 мкм

Результаты и обсуждение

Хотя сообщалось о поляризационно-независимом электрооптическом модуляторах на основе графена [15,16,17,18,19,20,21], поляризационная независимость этих устройств тесно связана с длиной волны [22]. Поэтому в нашей модели используется U-структура, в которой мы обнаруживаем, что чувствительность поляризации волновода слабо коррелирует с длиной волны. Мнимая часть EMI известна как электропоглощение. Как показано на рис. 3, мнимая часть EMI достигает пика при низком химическом потенциале около μ . _c =0,1 эВ. Таким образом, μ _c Точка =0,1 эВ может быть выбрана как точка состояния «ВЫКЛ.». В то же время расхождение мнимой части EMI между режимами TE и TM наиболее велико в точке состояния «ВЫКЛ». Чтобы получить меньшее несоответствие поглощения, нам просто нужно минимизировать несоответствие поглощения в точке состояния «ВЫКЛ». При длине волны =2,2 мкм и Ra =0,35 мкм (размер малого радиуса эллипса, который является горизонтальной осью), перемещая μ _c от 0,1 до 0,8 эВ, при различных значениях Rb (размер большого радиуса эллипса, являющегося вертикальной осью), влияние различных μ _c EMI для обоих режимов TE и TM анализируется, как показано на рис. 4a. Очевидно, что значения расхождения между модами TE и TM быстро уменьшаются при изменении Rb от 0,35 до 0,55 мкм. Это означает, что можно достичь более низкого PSL около Rb =0,55 мкм. Следовательно, изменяя параметр Rb около 0,55 мкм, мы обнаруживаем, что расхождение поглощения между TE- и TM-модами сначала уменьшается, а затем увеличивается с увеличением Rb. В точке Rb =0,565 мкм может быть получено минимальное значение.

а Коэффициент поглощения мод TE и TM как функция от μ _c при различных Rb (длина волны =2,2 мкм, Ra =0,35 мкм); б коэффициент поглощения мод TE и TM как функция Rb (Ra =0,35 мкм, длина волны =2,2 мкм, μ _c =0,1 эВ)

Когда Ra =0,35 мкм, Rb =0,565 мкм, длина волны =2,2 мкм, было проанализировано изменение EMI ​​для мод TE и TM с химическим потенциалом. Как показано на рис. 5, реальная часть EMI имеет одинаковый тренд изменения для режимов TE и TM с постоянной разницей. Поскольку модулятор основан на принципе электропоглощения, нам просто нужно позаботиться о мнимой части EMI. Более того, под всеми μ _c значения, α как TE, так и TM почти идентичны. Это свойство необходимо для создания поляризационно-независимого модулятора электропоглощения. Наивысшее и наименьшее значение α (пропорционально мнимой части EMI) может быть получено при μ _c =0,1 эВ и μ _c =0.8 эВ соответственно (рис.5). Таким образом, точка μ _c =0,1 эВ и μ _c =0,8 эВ может быть выбрано как «ВЫКЛ» или «ВКЛ».

Иллюстрация реальной и мнимой частей EMI для режимов TE и TM как функции химического потенциала

Вариант α как функция длины волны представлена ​​на рис. 6а, б. Из рис. 6 видно, что α двух режимов очень совпадает с изменением длины волны в состоянии сильного поглощения (состояние «выключено»), а различия между двумя режимами сохраняются относительно небольшими. В состоянии «ON» расхождение α между режимами TE и TM составляет порядка 10 ^–4 . Для дальнейшего и точного измерения расхождения между двумя модами PSL определяется как PSL =ER (TE) -ER (TM), где ER - коэффициент ослабления. Мы измерили глубину модуляции модулятора в двух режимах в зависимости от длины волны при длине волновода 200 мкм. Как показано на рис. 7, из диаграммы видно, что в широком диапазоне спектра 2–2,4 мкм глубина модуляции двух режимов составляет более 16 дБ, а PSL - менее 0,24 дБ.

Коэффициенты поглощения ( α ) TE и TM имеют почти идентичные колебания с изменением длины волны в состоянии «ВЫКЛ.» ( a ) и состояние «ВКЛ.» ( b )

Глубина модуляции двух мод и PSL (линия ER (TE-TM)) между двумя модами на разных длинах волн

Для оптического модулятора ширина полосы модуляции 3 дБ f _{3 дБ} всегда является одним из важных параметров, о которых нужно беспокоиться. Поскольку графен обладает сверхвысокой подвижностью носителей при комнатной температуре, скорость работы модулятора на основе графена больше не ограничивается сроком службы неосновных носителей заряда, как это делают традиционные полупроводниковые модуляторы. f _{3 дБ} модулятора на основе графена в основном препятствует задержка RC, которая может быть выражена как

R - полное сопротивление устройства, включая сопротивление графенового листа Rs и сопротивление контакта металл-графен Rc, которое подробно обсуждалось в предыдущих работах [23] - [25]. C - емкость модулятора, который в основном состоит из конденсатора, образованного двумя чешуйками графена. Хотя этот конденсатор не является идеальной моделью конденсатора с параллельными пластинами, для предварительной оценки f _{3 дБ} , мы по-прежнему используем модель конденсатора с параллельными пластинами для расчета C . В наших расчетах использовались Rc =100 Ом / мкм [19] и Rs =200 Ом / мкм [26], а ширина перекрытия двух чешуек графена составляет около 1,53 мкм. Расчетное f _3dB достигает 136 ГГц. Более того, в будущем возможны более низкие значения Rs и Rc, что означает более высокие f _{3 дБ} можно получить.

Вышеупомянутое моделирование основано на схеме полуэллипса с Ra =0,35 мкм и Rb =0,565 мкм. Однако при изготовлении не всегда может быть гарантирован точный размер радиуса. Поэтому мы также исследовали допуск на изготовление (рис. 8). Когда Ra изменяется от 0,345 до 0,355 мкм (рис. 8a) или Rb изменяется от 0,56 до 0,57 мкм (рис. 8b), PSL между двумя модами все еще ниже 0,6 дБ. Итак, наше устройство имеет большой допуск на изготовление.

Глубина модуляции двух режимов при разных Ra ( a ) или Rb ( b )

Выводы

В заключение мы представили концепцию широкополосного поляризационно-независимого электронно-абсорбционного оптического модулятора на основе графена в среднем инфракрасном диапазоне. В нашей структуре двухслойный графен U-структуры помещен в волновод из халькогенидного стекла. При различных химических потенциалах графена, различных длинах волн и различных длинах коротких радиусов исследуются индуцированные графеном изменения электромагнитных помех как для TE, так и для TM-мод. Результаты показывают, что моды TE и TM имеют почти одинаковое изменение коэффициента поглощения в среднем инфракрасном диапазоне 2–2,4 мкм, что удовлетворяет требованию поляризационно-независимой модуляции. На основе этой конструкции модулятор длиной 200 мкм имеет глубину модуляции более 16 дБ. Разница в глубине модуляции между двумя режимами составляет 0,24 дБ, а теоретическая ширина полосы модуляции устройства достигает 136 ГГц. Мы считаем, что этот электрооптический модулятор на основе графена, не зависящий от поляризации в среднем инфракрасном диапазоне, будет способствовать дальнейшему изучению модулятора на основе графена в средних инфракрасных диапазонах.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

ER:

Коэффициент вымирания

TM:

Поперечный магнитный

TE:

Поперечный электрический

PSL:

Потеря чувствительности к поляризации

FEM:

Метод конечных элементов

EMI:

Указатель эффективного режима

hBN:

Гексагональный нитрид бора