Поляризационно-независимый графеновый электро-абсорбционный модулятор среднего ИК-диапазона на волноводе из халькогенидного стекла

Аннотация

Представлен поляризационно-независимый графитовый оптический модулятор среднего инфракрасного диапазона на базе структуры SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀, в которой два графеновых слоя размещены по полуэллиптической схеме для поддержки поперечно-магнитного (TM) и поперечно-электрического (TE) поляризационных мод с одинаковой абсорбцией. Ключевым показателем эффективности поляризационно-независимого модулятора является поляризационная чувствительность потерь (PSL). Волновод устройства поддерживает только основные TE и TM моды, а PSL между ними составляет менее 0,24 дБ. Модель обеспечивает коэффициент подавления (ER) более 16 дБ и потери вставки менее 1 дБ. Рабочий спектральный диапазон составляет 2–2,4 мкм с оптической полосой пропускания 400 нм. Теоретическая 3-дБ модуляционная полоса достигает 136 ГГц.

Введение

Оптоволоконные сети связи ближнего инфракрасного диапазона становятся основой всей телекоммуникационной инфраструктуры. Однако средний инфракрасный диапазон также важен для применения электрооптических устройств в военной и гражданской сферах: инфракрасные контрмеры, химическое 감지рование, ИК-наведение, экологический мониторинг, космическая связь и др. Кроме того, интегрированные электрооптические устройства среднего ИК-диапазона, такие как фотодетекторы и модуляторы, разрабатываются для расширения коммуникационного окна 1,55 мкм.

В последние годы открыты двухмерные функциональные электрооптические материалы — графен, халькогениды, черный фосфор — что ускорило развитие интегрированной электрооптики и преодолело традиционные ограничения. Среди них графен считается идеальным материалом для оптических модуляторов благодаря постоянной абсорбции в широком спектре, сверхвысокой подвижности носителей заряда при комнатной температуре, электрически управляемой проводимости и совместимости с CMOS-технологиями. Однако большинство сообщаемых графеновых модуляторов работают при 1,31 мкм или 1,55 мкм. Принцип модуляции одинаков для ближнего и среднего ИК, но рабочая длина волны определяется окнами прозрачности волновода. Ключевой задачей создания графеновых модуляторов среднего ИК является интеграция графена с различными волноводными материалами. В 2017 году Линь и соавт. сообщили о модуляторе на структуре Ge₂₃Sb₇S₇₀-графен, открыв эту направленность.

Графен как анизотропный диэлектрик имеет настраиваемую в плоскости диэлектрическую проницаемость, а перпендикулярная — постоянна (2,5). Поэтому графен сильно взаимодействует только с в плоскостном электрическим полем, что обуславливает сильную поляризационную зависимость известных модуляторов. Поскольку поляризационное состояние света в волноводе или волокне случайно, для широкого коммерческого применения необходимо решить проблему поляризационной зависимости.

В работе предложена новая структура поляризационно-независимого графенового электрооптического модулятора среднего ИК с большой модуляционной полосой и широким спектром поляризационной нечувствительности. Использована SOI-структура и полоска стекла Ge₂₃Sb₇S₇₀, встроенная в обмотку SiO₂. В волноводе два графеновых слоя распределены по U-образной (полуэллиптической) схеме и изолированы стеклом Ge₂₃Sb₇S₇₀. Благодаря U-раскладке оба TE и TM моды сильно взаимодействуют с графеном. При правильном выборе параметров удается преодолеть поляризационную зависимость. Методом конечных элементов (FEM) проанализированы эффективный модовый индекс (EMI) и коэффициент абсорбции (α) U-структуры. Показано, что вещественные части EMI для TE (N_te) и TM (N_tm) мод имеют одинаковые колебания (с постоянной разницей) при разных химических потенциалах (μ_c), а мнимые части — практически идентичны и не зависят от длины волны в широком диапазоне. При выборе точек переключения «ВКЛ» и «ВЫКЛ» для обеих мод модуляционная глубина превышает 16 дБ, рабочий спектр 2–2,4 мкм, PSL < 0,24 дБ, теоретическая 3-дБ полоса 136 ГГц.

Методы

Окно прозрачности стекла Ge₂₃Sb₇S₇₀ составляет 2–10 мкм, что делает его отличным материалом для фотоники среднего ИК. Предыдущее исследование Линь и соавт. подтвердило возможность создания модулятора на Ge₂₃Sb₇S₇₀-графен. Геометрия предложенного модулятора показана на рис. 1, процесс изготовления — термическая наноимпринтная литография. Детали геометрии и материалов на рис. 2b.

На Si-подложите выросли слой SiO₂ толщиной 0,8 мкм, затем фотолитографией сформировали желоб шириной 0,96 мкм и высотой 0,8 мкм. После заполнения раствором Ge₂₃Sb₇S₇₀ и термической наноимпринтной паттернизации получен U-образный желоб. На плоские участки нанесли слой гексагонального нитрида бора (hBN) толщиной 10 нм. Затем последовательно разместили: первый графеновый слой, 50-нм изолятор из Ge₂₃Sb₇S₇₀ (центрифугированием), второй графеновый слой. Заполнили оставшееся пространство стеклом Ge₂₃Sb₇S₇₀, перенесли hBN-обмотку и добавили электроды Au–Pd-графен (контактное сопротивление графен-Pd < 100 Ом·мкм). Ширина графеновой полосы между электродом и волноводом — 0,8 мкм. Распределение электрического поля для TE (в плоскости) и TM (вертикальной плоскости) мод показано на рис. 2c, d.

При приложении напряжения химический потенциал графена μ_c динамически настраивается. В модели графен рассматривается как анизотропный материал: перпендикулярная диэлектрическая проницаемость ε_⊥ = 2,5 (постоянна), в плоскостная ε_‖ настраивается по формуле (1), где δ — проводимость графена, связанная с μ_c через формулу Кубо, ω — циклическая частота, h_g = 0,7 нм — эффективная толщина графена.

Создан полосковый волновод из Ge₂₃Sb₇S₇₀ с двумя плоскими встроенными графеновыми слоями (вставка на рис. 3). На рис. 3 показаны вещественная и мнимая части EMI для TE и TM мод при λ = 2,2 мкм. EMI TE-моды заметно меняется для обеих частей, в то время как для TM-моды существенных колебаний нет. Причина: поляризация TM перпендикулярна плоскости графена, где ε_‖ не настраивается по μ_c. В данной работе графен изогнут в U-раскладку для равного воздействия на обе моды.

Результаты и обсуждение

Хотя поляризационно-независимые графеновые модуляторы сообщались ранее, их независимость от поляризации тесно связана с длиной волны. В нашей модели U-структура обеспечивает слабую корреляцию чувствительности волновода к поляризации с длиной волны. Мнимая часть EMI соответствует электроабсорбции. На рис. 3 видно, что мнимая часть достигает пика при низком μ_c ≈ 0,1 эВ — эта точка выбрана как «ВЫКЛ». Одновременно расхождение мнимых частей EMI между TE и TM максимально в точке «ВЫКЛ». Для минимизации расхождения абсорбции нужно минимизировать его в этой точке. При λ = 2,2 мкм и Ra = 0,35 мкм (малая полуось эллипса) при варьировании μ_c от 0,1 до 0,8 эВ при разных Rb (большая полуось) проанализировано влияние на EMI для обеих мод (рис. 4a). Расхождение между TE и TM быстро уменьшается при увеличении Rb от 0,35 до 0,55 мкм, указывая на возможность низкого PSL при Rb ≈ 0,55 мкм. Детальный перебор Rb около 0,55 мкм показывает, что расхождение абсорбции сначала уменьшается, потом растет. Минимум достигается при Rb = 0,565 мкм.

При Ra = 0,35 мкм, Rb = 0,565 мкм, λ = 2,2 мкм проанализировано изменение EMI для обеих мод от μ_c (рис. 5). Вещественная часть EMI имеет одинаковую трендовую динамику с постоянной разницей. Для электроабсорбционного модулятора важна мнимая часть. При всех μ_c значения α для TE и TM практически идентичны — это и нужно для поляризационно-независимого модулятора. Максимальное и минимальное α соответствуют μ_c = 0,1 эВ («ВЫКЛ») и μ_c = 0,8 эВ («ВКЛ»).

Зависимость α от длины волны показана на рис. 6a, b. В состоянии «ВЫКЛ» α двух мод практически идентичны при изменении λ, различия остаются малыми. В состоянии «ВКЛ» расхождение α составляет порядок 10^–4. Для точной оценки введен PSL = ER(TE) – ER(TM). Измерена модуляционная глубина для волновода длиной 200 мкм в зависимости от длины волны (рис. 7). В диапазоне 2–2,4 мкм модуляционная глубина обеих мод > 16 дБ, PSL < 0,24 дБ.

3-дБ модуляционная полоса f_3dB — ключевой параметр. Благодаря сверхвысокой подвижности носителей в графене, скорость не ограничена временем жизни малого числа носителей, как в полупроводниковых модуляторах. Основное ограничение — RC-задержка: f_3dB = 1/(2πRC). R — суммарное сопротивление (графеновый лист Rs и контактное Rc), C — емкость, в основном конденсатор от двух графеновых флаков. Используя модель плоского конденсатора для оценки: Rc = 100 Ом·мкм, Rs = 200 Ом·мкм, ширина перекрытия флаков ≈ 1,53 мкм. Оцененная f_3dB достигает 136 ГГц. Более низкие Rs и Rc в будущем дадут еще более высокую полосу.

Исследована технологическая допустимость (рис. 8). При вариации Ra от 0,345 до 0,355 мкм (рис. 8a) или Rb от 0,56 до 0,57 мкм (рис. 8b) PSL остается ниже 0,6 дБ. Устройство обладает большой технологической допустимостью.

Заключение

Предложена концепция полосового поляризационно-независимого графенового электро-абсорбционного оптического модулятора среднего ИК. В структуре U-образный двухслойный графен размещен в волноводе из халькогенидного стекла. Исследованы графеновые вариации EMI для TE и TM мод при разных μ_c, длинах волны и малых полуосях. Показано, что TE и TM моды имеют практически идентичные вариации коэффициента абсорбции в диапазоне 2–2,4 мкм, что удовлетворяет требованию поляризационной независимости. Модулятор длиной 200 мкм обеспечивает глубину модуляции > 16 дБ, разницу глубин 0,24 дБ, теоретическую модуляционную полосу 136 ГГц. Данный модулятор будет способствовать развитию графеновых модуляторов в среднем ИК-диапазоне.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

ER:

Коэффициент подавления (Extinction ratio)

TM:

Поперечно-магнитный (Transverse magnetic)

TE:

Поперечно-электрический (Transverse electric)

PSL:

Поляризационная чувствительность потерь (Polarization-sensitivity loss)

FEM:

Метод конечных элементов (Finite element method)

EMI:

Эффективный модовый индекс (Effective mode index)

hBN:

Гексагональный нитрид бора (Hexagonal boron nitride)