Modulador de eletroabsorção de infravermelho médio independente de polarização com base em grafeno integrado em um guia de onda de vidro de calcogeneto

Resumo

Um modulador óptico de infravermelho médio baseado em grafeno insensível à polarização é apresentado, compreendendo SiO ₂ / Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ , em que duas camadas de grafeno são incorporadas com um layout de semi-elipse para suportar modos de polarização magnética transversal (TM) e elétrica transversal (TE) com absorção idêntica. O índice de desempenho chave para o modulador independente de polarização é a perda de sensibilidade de polarização (PSL). O guia de ondas do nosso dispositivo suporta apenas os modos TE e TM básicos, e o PSL entre os dois modos é de <0,24 dB. O modelo pode oferecer taxa de extinção (ER) superior a 16 dB e perda de inserção inferior a 1 dB. O espectro de operação varia de 2 a 2,4 μm com largura de banda óptica de 400 nm. A largura de banda de modulação de 3 dB é tão alta quanto 136 GHz com base em cálculos teóricos.

Introdução

As redes de comunicação de fibra óptica de comprimento de onda próximo ao infravermelho estão se tornando o núcleo de todas as redes de telecomunicações. No entanto, o infravermelho médio também é uma banda de onda importante para a aplicação de dispositivo eletro-óptico em campos militares e civis, como contramedida infravermelha, detecção química, orientação infravermelha, monitoramento ambiental, comunicação espacial, etc. Além disso, infravermelho médio dispositivos eletro-ópticos integrados, como fotodetectores e moduladores, também são desenvolvidos para expandir a janela de comunicação de 1,55 μm.

Nos últimos anos, materiais eletro-ópticos funcionais 2D, como grafeno [1,2,3,4], calcogeneto [5] e fósforo preto [6], foram descobertos, o que acelerou o desenvolvimento de eletro-óptico integrado e quebrou a limitação de desempenho tradicional. Dentre esses materiais, o grafeno é considerado um material ideal para a realização de moduladores ópticos devido a algumas vantagens atrativas [7], como absorção constante em amplo espectro [8], ultra-alta mobilidade de portadores em temperatura ambiente [9], eletricamente controlável condutividade e compatibilidade com processamento CMOS. Consequentemente, o modulador óptico baseado em grafeno se tornou um tópico de pesquisa quente. No entanto, de longe, a banda de operação da maioria dos moduladores ópticos baseados em grafeno relatados é de cerca de 1,31 μm ou 1,55 μm [10,11,12,13]. O princípio de modulação do infravermelho próximo e infravermelho médio é o mesmo, mas o comprimento de onda de operação do modulador depende principalmente das janelas de transparência do guia de ondas. O ponto chave para a realização de moduladores de infravermelho médio baseados em grafeno é a integração de grafeno e vários materiais de guia de onda de infravermelho médio. Em 2017, Lin et al. [14] relataram um modulador óptico de eletroabsorção de infravermelho médio baseado em Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ estrutura -on-grafeno, que abriu o campo do modulador de infravermelho médio baseado em grafeno.

O grafeno como material eletro-óptico, também precisamos considerar uma das características mais importantes do dielétrico anisotrópico [15], que foi experimentalmente comprovada neste artigo [16]. A permissividade no plano é ajustável, no entanto, a permissividade na vertical é uma constante de 2,5. Assim, o grafeno só pode interagir fortemente com o campo elétrico no plano [10], essa é a razão pela qual os moduladores baseados em grafeno relatados anteriormente têm uma forte dependência de polarização, na qual os moduladores só podem modular o modo de campo elétrico no plano [10 , 11,12,13]. Geralmente, o estado de polarização da luz no guia de ondas ou fibra é aleatório. Para realizar a ampla aplicação comercial do modulador baseado em grafeno, o problema da polarização dependente precisa ser resolvido.

Neste trabalho, apresentamos uma nova estrutura de modulador eletro-óptico independente de polarização de infravermelho médio baseado em grafeno, que apresenta as vantagens de grande largura de banda de modulação e amplo espectro de insensibilidade de polarização. Usamos a estrutura SOI e um Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ tira de vidro que está embutida em SiO ₂ revestimento como núcleo de guia de ondas. No Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ guia de onda, duas camadas de grafeno são de distribuição do tipo U (semi-elipse) e são isoladas por Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ vidro. Uma vez que a camada de grafeno é uma distribuição do tipo U, os modos TE e TM podem interagir fortemente com o grafeno. Ao escolher os parâmetros de estrutura adequados, podemos superar a dependência de polarização. Usando o método dos elementos finitos (FEM), analisamos o índice de modo efetivo (EMI) e o coeficiente de absorção ( α ) da U dispositivo de estrutura. O resultado mostra que as partes reais de EMI para TE ( N _te ) e TM ( N _tm ) modos têm as mesmas flutuações (com diferença constante) em diferentes potenciais químicos ( μ _c ), e as partes imaginárias dos modos TE e TM têm flutuações quase idênticas e comprimento de onda independente em um amplo espectro. Ao escolher adequadamente os pontos de comutação para os estados "LIGADO" e "DESLIGADO", para os modos TE e TM, a profundidade de modulação é superior a 16 dB, o espectro de comprimento de onda da operação é de 2–2,4 μm, o PSL é inferior a 0,24 dB, e a largura de banda de modulação teórica de 3 dB é tão alta quanto 136 GHz.

Métodos

A janela de transparência de Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ o vidro varia de 2 a 10 μm [17], que é um ótimo material para fotônica de infravermelho médio. Estudo anterior liderado por Lin et al. [14] provou sua viabilidade para realizar Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ -grafeno modulador de infravermelho médio. Neste trabalho, também pegamos Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ vidro como material de guia de ondas. A estrutura geométrica de nosso modulador proposto é ilustrada na Fig. 1, que foi fabricada usando um processo de nanoimpressão térmica. Os detalhes das etapas do processo são ilustrados esquematicamente na Fig. 1. Você também pode consultar o artigo [18] para obter detalhes para a preparação de selos compostos de PDMS e Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solução de vidro. Detalhes de tamanho geométrico e materiais são apresentados na Fig. 2b.

Fluxo de processo esquemático do modulador baseado em grafeno integrado no Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀

Ilustração do modulador óptico de eletroabsorção independente de polarização. a Diagrama esquemático 3D do modulador; b Seção transversal 2D da estrutura em U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ - guia de onda de grafeno, distância entre duas camadas de grafeno d =50 nm, largura do guia de onda w =0,96 μm, altura h =0,8 μm. A distribuição do campo elétrico para o modo TE ( c ) e modo TM ( d ), as setas indicam a direção da polarização

A SiO ₂ camada com espessura h =0,8 μm foi cultivada em substrato de Si e, em seguida, um sulco com largura w =0,96 μm e altura h =0,8 μm foi feito em SiO ₂ camada usando o método de fotolitografia. Depois de preencher Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solução e padrão por nanoimpressão térmica, um tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ sulco foi feito. Uma camada de nitreto de boro hexagonal (hBN) de 10 nm de espessura foi pavimentada em uma área plana. Em seguida, a primeira camada de grafeno, espessura de 50 nm (revestimento por rotação) Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ isolador e segunda camada de grafeno foram pavimentadas para o tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ranhura em ordem. Finalmente, preenchemos o tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ groove com Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solução e revestimento de hBN transferido e eletrodo adicionado. A estrutura do eletrodo é Au – Pd-grafeno, uma vez que a resistência de contato entre o grafeno e o Pd é menor que 100 (Ω / μm) [19]. A largura da folha de grafeno entre o eletrodo e o guia de onda é de 0,8 μm. A Figura 2c, d apresenta a distribuição do campo elétrico para os modos TE (no plano) e TM (plano vertical).

Quando a tensão é aplicada ao grafeno, o potencial químico do grafeno μ _c é ajustado dinamicamente. Em nosso modelo, o grafeno é tratado como um material anisotrópico. A perpendicularidade perpendicular ε _⊥ do grafeno não varia com o μ _c e sempre permanece como uma constante de 2,5, enquanto a permissividade no plano do grafeno ε _‖ pode ser ajustado como [12].
$$ \ varejpsilon _ {\ parallel} \ left (\ omega \ right) =1 + \ frac {i \ delta} {{\ omega \ varepsilon_ {0} h_ {g}}} $$ (1)
O δ representa a condutividade do grafeno e se relaciona ao potencial químico μ _c , que pode ser deduzido da fórmula de Kubo [20]. O ω representa a frequência em radianos e h _g =0,7 nm é a espessura efetiva do grafeno.

Fizemos um Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ faixa de guia de onda, na qual duas camadas planas de grafeno foram incorporadas (inserção da Fig. 3). A Figura 3 representa a parte real e imaginária de EMI para os modos TE e TM no comprimento de onda de 2,2 μm. O modo EMI do TE mudou obviamente para as partes reais e imaginárias. Ao contrário, nenhuma flutuação significativa ocorreu no modo EMI do TM para as partes reais e imaginárias. A principal razão é que a polarização do modo TM é perpendicular ao plano do grafeno e ε _‖ não é controlável em potencial químico. Neste trabalho, dobramos a camada de grafeno como um layout do tipo U para impor uma influência igual nos modos TE e TM.

O grafeno foi pavimentado diretamente em Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ tira guia de ondas. As partes reais e imaginárias de EMI para os modos TE e TM no comprimento de onda de 2,2 μm

Resultados e discussão

Embora o modulador eletro-óptico independente de polarização baseado em grafeno tenha sido relatado [15,16,17,18,19,20,21], a independência de polarização desses dispositivos está intimamente relacionada ao comprimento de onda [22]. Portanto, em nosso modelo, a estrutura em U é usada, na qual descobrimos que a sensibilidade da polarização do guia de ondas é uma correlação fraca com o comprimento de onda. A parte imaginária do EMI é conhecida como eletroabsorção. Conforme mostrado na Fig. 3, a parte imaginária do EMI atinge o pico em baixo potencial químico em torno de μ _c =0,1 eV. Assim, o μ _c =0,1 ponto eV pode ser escolhido como ponto de estado “DESLIGADO”. Ao mesmo tempo, a discrepância da parte imaginária do EMI entre os modos TE e TM é maior no ponto de estado “OFF”. Para obter menor discrepância de absorção, precisamos apenas minimizar a discrepância de absorção no ponto de estado “DESLIGADO”. No comprimento de onda =2,2 μm e Ra =0,35 μm (tamanho do raio menor da elipse que é o eixo horizontal), varrendo o μ _c de 0,1 a 0,8 eV, sob diferentes Rb (tamanho do raio maior da elipse que é o eixo vertical), a influência de μ _c em EMI para os modos TE e TM é analisado, como mostrado na Fig. 4a. É óbvio que os valores de discrepância entre os modos TE e TM diminuem rapidamente conforme Rb é ajustado de 0,35 a 0,55 μm. Isso indica que é possível atingir PSL mais baixo em torno de Rb =0,55um. Portanto, varrendo o parâmetro Rb em torno de 0,55 μm, descobrimos que a discrepância de absorção entre os modos TE e TM diminui primeiro e depois aumenta com o aumento em Rb. No ponto Rb =0,565 μm, um valor mínimo pode ser obtido.

a Coeficiente de absorção dos modos TE e TM em função de μ _c em diferentes Rb, (comprimento de onda =2,2 μm, Ra =0,35 μm); b o coeficiente de absorção dos modos TE e TM em função de Rb (Ra =0,35 μm, comprimento de onda =2,2 μm, μ _c =0,1 eV)

Quando Ra =0,35 μm, Rb =0,565 μm, comprimento de onda =2,2 μm, a variação de EMI para ambos os modos TE e TM com potencial químico foi analisada. Conforme mostrado na Fig. 5, a parte real do EMI tem a mesma tendência de variação para os modos TE e TM com diferença constante. Como o modulador é baseado no princípio de eletroabsorção, só precisamos nos preocupar com a parte imaginária da EMI. Além disso, em todos os μ _c valores, o α de TE e TM são quase idênticos. É a propriedade que precisamos para projetar um modulador de eletroabsorção independente de polarização. Um valor mais alto e mais baixo de α (proporcional à parte imaginária de EMI) pode ser obtido em μ _c =0,1 eV e μ _c =0,8 eV, respectivamente (Fig. 5). Assim, o ponto de μ _c =0,1 eV e μ _c =0,8 eV pode ser escolhido como ponto de estado “DESLIGADO” e “LIGADO”.

Ilustração das partes reais e imaginárias de EMI para os modos TE e TM em função do potencial químico

A variação de α em função do comprimento de onda é apresentado na Fig. 6a, b. Pode-se ver na Fig. 6 que o α dos dois modos é muito idêntico à mudança do comprimento de onda no estado de absorção forte (estado “OFF”), e as diferenças entre os dois modos foram mantidas relativamente pequenas. No estado “ON”, a discrepância de α entre os modos TE e TM é da ordem de 10 ^–4 . Para medir a discrepância com mais profundidade e precisão entre os dois modos, PSL é definido como PSL =ER (TE) -ER (TM), onde ER é a razão de extinção. Medimos a profundidade de modulação do modulador em dois modos em função do comprimento de onda sob a condição de guia de onda de 200 μm. Conforme mostrado na Fig. 7, pode-se ver no diagrama que em uma ampla faixa de espectro de 2–2,4 μm, a profundidade de modulação dos dois modos é superior a 16 dB e o PSL é inferior a 0,24 dB.

Coeficientes de absorção ( α ) de TE e TM têm uma flutuação quase idêntica com a mudança de comprimento de onda no estado "DESLIGADO" ( a ) e estado “ON” ( b )

Profundidade de modulação dos dois modos e PSL (linha ER (TE-TM)) entre dois modos em diferentes comprimentos de onda

Para um modulador óptico, a largura de banda de modulação de 3 dB f _3dB é sempre um dos parâmetros importantes com que se preocupar. Uma vez que o grafeno tem mobilidade de portadora ultra-alta em temperatura ambiente, a velocidade de operação do modulador baseado em grafeno não é mais limitada pela vida útil da portadora minoritária como os moduladores semicondutores tradicionais. O f _3dB de um modulador à base de grafeno é principalmente impedido pelo atraso RC, que pode ser expresso como
$$ f _ {{3 \; {\ text {dB}}}} =\ frac {1} {2 \ pi RC} $$ (2)
O R é a resistência total do dispositivo, incluindo a resistência da folha de grafeno Rs e a resistência de contato metal-grafeno Rc, que foi cuidadosamente discutida em trabalhos anteriores [23] - [25]. O C é a capacitância do modulador, que consiste principalmente no capacitor que é formado pelos dois flocos de grafeno. Embora este capacitor não seja um modelo ideal de capacitor de placa paralela, para estimar preliminarmente o f _3dB , ainda usamos o modelo do capacitor de placa paralela para calcular o C . Em nossos cálculos, Rc =100 Ω / μm [19] e Rs =200 Ω / μm [26] foram usados, e a largura de sobreposição de dois flocos de grafeno é de cerca de 1,53 μm. A estimativa de f _3dB é tão alto quanto 136 GHz. Além disso, valores mais baixos de Rs e Rc são possíveis no futuro, o que significa f mais alto _3dB pode ser obtido.

As simulações acima são baseadas no layout de semi-elipse com Ra =0,35 μm e Rb =0,565 μm. No entanto, na fabricação, esse tamanho de raio exato nem sempre pode ser garantido. Portanto, também investigamos a tolerância de fabricação (Fig. 8). Quando Ra varia de 0,345 a 0,355 μm (Fig. 8a), ou Rb varia de 0,56 a 0,57 μm (Fig. 8b), o PSL entre os dois modos ainda é inferior a 0,6 dB. Portanto, nosso dispositivo tem grande tolerância de fabricação.

Profundidade de modulação dos dois modos em Ra ( a diferente ) ou Rb ( b )

Conclusões

Em conclusão, apresentamos o conceito de um modulador óptico de eletroabsorção de infravermelho médio baseado em polarização de banda larga independente de polarização. Em nossa estrutura, um grafeno de dupla camada de estrutura em U é colocado em um guia de ondas de vidro calcogeneto. Sob diferentes potenciais químicos de grafeno, diferentes comprimentos de onda e diferentes comprimentos de raio curto, as variações EMI induzidas por grafeno para os modos TE e TM são investigadas. Os resultados mostram que os modos TE e TM têm variação do coeficiente de absorção quase idêntica no infravermelho médio 2–2,4 μm, o que atende ao requisito de modulação independente da polarização. Com base nessa estrutura, o modulador com comprimento de 200 μm possui uma profundidade de modulação superior a 16 dB. A diferença de profundidade de modulação entre os dois modos é de 0,24 dB e a largura de banda de modulação teórica do dispositivo é de até 136 GHz. Acreditamos que este modulador eletro-óptico baseado em grafeno independente de polarização de infravermelho médio irá promover ainda mais o estudo do modulador baseado em grafeno nas bandas do infravermelho médio.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

ER:: Razão de extinção
TM:: Magnético transversal
TE:: Transversal elétrico
PSL:: Perda de sensibilidade de polarização
FEM:: Método do elemento finito
EMI:: Índice de modo efetivo
hBN:: Nitreto de boro hexagonal

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