Modulador Eletro-Absortivo de Grafeno no Infravermelho Médio Independente de Polarização em Guia de Ondas de Vidro Calcopirita

Resumo

Um modulador óptico baseado em grafeno no infravermelho médio insensível à polarização é apresentado, compreendendo SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀, no qual duas camadas de grafeno são incorporadas com layout semi-elíptico para suportar modos de polarização magnética transversal (TM) e elétrica transversal (TE) com absorção idêntica. O índice-chave de desempenho para o modulador independente de polarização é perda de sensibilidade à polarização (PSL). O guia de ondas do nosso dispositivo suporta apenas modos básicos TE e TM, e o PSL entre os dois modos é < 0,24 dB. O modelo pode oferecer razão de extinção (ER) superior a 16 dB e perda de inserção menor que 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 baseada em cálculo teórico.

Introdução

Redes de comunicação por fibra óptica de comprimento de onda próximo ao infravermelho estão se tornando o núcleo de toda a rede de telecomunicações. No entanto, o infravermelho médio também é uma banda de onda importante para aplicação de dispositivos eletro-ópticos em campos militares e civis, como contramedida infravermelha, detecção química, guia infravermelho, monitoramento ambiental, comunicação espacial, etc. Além disso, dispositivos eletro-ópticos integrados no infravermelho médio, 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, calcogeneto e fósforo negro, foram descobertos, o que acelerou o desenvolvimento de eletro-óptica integrada e quebrou a limitação de desempenho tradicional. Entre estes materiais, o grafeno é considerado um material ideal para realizar moduladores ópticos devido a algumas vantagens atraentes, como absorção constante sobre amplo espectro, mobilidade de portadores ultra-alta à temperatura ambiente, condutividade controlável eletricamente e compatibilidade com processamento CMOS. Consequentemente, modulador óptico baseado em grafeno tornou-se um tópico de pesquisa quente. No entanto, até agora, a banda de operação da maioria dos moduladores ópticos baseados em grafeno relatados está em torno de 1,31 μm ou 1,55 μm. O princípio de modulação do infravermelho próximo e 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 ondas de infravermelho médio. Em 2017, Lin et al. relataram um modulador óptico eletro-absortivo de infravermelho médio baseado em estrutura Ge₂₃Sb₇S₇₀-sobre-grafeno, que abriu o campo de modulador de infravermelho médio baseado em grafeno.

Grafeno como material eletro-óptico, também precisamos considerar uma das características mais importantes de dielétrico anisotrópico, que foi experimentalmente provada neste artigo. A permissividade no plano é ajustável, no entanto, a permissividade na vertical é uma constante de 2,5. Então, o grafeno só pode interagir fortemente com o campo elétrico no plano, que é a razão pela qual moduladores baseados em grafeno relatados antes têm forte dependência de polarização, nos quais moduladores só podem modular modo de campo elétrico no plano. Geralmente, o estado de polarização da luz em guia de ondas ou fibra é aleatório. Para realizar a ampla aplicação comercial de modulador baseado em grafeno, o problema de dependência de polarização precisa ser resolvido.

Neste trabalho, apresentamos uma nova estrutura de modulador eletro-óptico de infravermelho médio baseado em grafeno independente de polarização, que tem as vantagens de grande largura de banda de modulação e amplo espectro de insensibilidade à polarização. Usamos a estrutura SOI e uma tira de vidro Ge₂₃Sb₇S₇₀ que é incorporada em revestimento SiO₂ como núcleo de guia de ondas. No guia de ondas Ge₂₃Sb₇S₇₀, duas camadas de grafeno são distribuição tipo U (semi-elipse) e são isoladas por vidro Ge₂₃Sb₇S₇₀. Como a camada de grafeno é distribuição tipo U, ambos os modos TE e TM podem interagir fortemente com grafeno. Ao escolher adequadamente parâmetros de estrutura, podemos superar bem a dependência de polarização. Usando o método de elementos finitos (FEM), analisamos o índice de modo efetivo (EMI) e coeficiente de absorção (α) do dispositivo de estrutura U. O resultado mostra que as partes reais de EMI para modos TE (N_te) e TM (N_tm) têm as mesmas flutuações (com diferença constante) em diferentes potenciais químicos (μc), e as partes imaginárias de ambos os modos TE e TM têm flutuações quase idênticas e independentes de comprimento de onda em um amplo espectro. Ao escolher adequadamente pontos de comutação para estados "LIGADO" e "DESLIGADO", para ambos os modos TE e TM, a profundidade de modulação é superior a 16 dB, o espectro de comprimento de onda de operação é 2-2,4 μm, o PSL é menor que 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 do vidro Ge₂₃Sb₇S₇₀ varia de 2 a 10 μm, que é um ótimo material para fotônica de infravermelho médio. Estudo prévio liderado por Lin et al. provou sua viabilidade para realizar modulador de infravermelho médio Ge₂₃Sb₇S₇₀-grafeno. Neste trabalho, também tomamos vidro Ge₂₃Sb₇S₇₀ como material de guia de ondas. A estrutura geométrica do nosso modulador proposto é representada na Fig. 1, que foi fabricada usando processo de nanoimpressão térmica. Detalhes das etapas do processo são esquematicamente ilustrados na Fig. 1. Você também pode referenciar artigo [18] para obter detalhes para preparação de carimbos compostos PDMS e solução de vidro Ge₂₃Sb₇S₇₀. Detalhes para tamanho geométrico e materiais são apresentados na Fig. 2b.

Uma camada de SiO₂ com espessura h = 0,8 μm foi crescida em substrato Si, e então um sulco com largura w = 0,96 μm e altura h = 0,8 μm foi feito na camada de SiO₂ usando método de fotolitografia. Após preenchimento de solução Ge₂₃Sb₇S₇₀ e padronização por nanoimpressão térmica, um sulco Ge₂₃Sb₇S₇₀ tipo U foi feito. Uma camada de nitreto de boro hexagonal (hBN) de 10 nm de espessura foi pavimentada na área plana. Então, primeira camada de grafeno, isolador Ge₂₃Sb₇S₇₀ de 50 nm de espessura (spin-coating) e segunda camada de grafeno foram pavimentados no sulco Ge₂₃Sb₇S₇₀ tipo U em ordem. Finalmente, preenchemos o sulco Ge₂₃Sb₇S₇₀ tipo U com solução Ge₂₃Sb₇S₇₀ e transferimos revestimento hBN e adicionamos eletrodo. A estrutura do eletrodo é Au-Pd-grafeno desde que a resistência de contato entre grafeno e Pd é menor que 100(Ω/μm). Largura da folha de grafeno entre eletrodo e guia de ondas é 0,8 μm. Figura 2c, d apresenta a distribuição de campo elétrico para ambos os modos TE (no plano) e TM (plano vertical).

Quando tensão é aplicada sobre o grafeno, o potencial químico μc do grafeno é dinamicamente ajustado. Em nosso modelo, o grafeno é tratado como material anisotrópico. A permissividade perpendicular ε⊥ do grafeno não varia com μc e sempre permanece como constante de 2,5, enquanto a permissividade no plano ε‖ do grafeno pode ser ajustada.

ε‖(ω) = 1 + iδ/(ωε₀hg)

O δ representa a condutividade do grafeno e relaciona-se ao potencial químico μc, que pode ser deduzido da fórmula de Kubo. O ω representa a frequência angular, e hg = 0,7 nm é a espessura efetiva do grafeno.

Fizemos um guia de ondas de tira Ge₂₃Sb₇S₇₀, no qual duas camadas planas de grafeno foram incorporadas (Fig. 3 inserto). Figura 3 plota as partes real e imaginária de EMI para ambos os modos TE e TM no comprimento de onda de 2,2 μm. O EMI do modo TE mudou obviamente para ambas as partes real e imaginária. Ao contrário, nenhuma flutuação significativa ocorreu ao EMI do modo TM para ambas as partes real e imaginária. A razão principal é que a polarização do modo TM é perpendicular ao plano do grafeno e ε‖ é não ajustável no potencial químico. Neste trabalho, dobramos a camada de grafeno como layout tipo U para impor influência igual em ambos os modos TE e TM.

Resultados e Discussão

Embora modulador eletro-óptico independente de polarização baseado em grafeno tenha sido relatado, a independência de polarização destes dispositivos está intimamente relacionada ao comprimento de onda. Portanto, em nosso modelo, a estrutura U é usada, na qual encontramos que a sensibilidade da polarização do guia de ondas é fraca correlação com comprimento de onda. A parte imaginária do EMI é conhecida como eletro-absorção. Como mostrado na Fig. 3, a parte imaginária do EMI atinge pico em baixo potencial químico em torno de μc = 0,1 eV. Assim, o ponto μc = 0,1 eV pode ser escolhido como ponto de estado "DESLIGADO". Ao mesmo tempo, a discrepância da parte imaginária do EMI entre modos TE e TM é mais alta no ponto de estado "DESLIGADO". Para obter menor discrepância de absorção, apenas precisamos 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 μc de 0,1 a 0,8 eV, sob diferentes Rb (tamanho do raio maior da elipse que é o eixo vertical), a influência de μc variado no EMI para ambos os modos TE e TM é analisada, 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. Indica que é possível atingir PSL mais baixo em torno de Rb = 0,55 μm. Portanto, varrendo o parâmetro Rb em torno de 0,55 μm, encontramos que a discrepância de absorção entre modos TE e TM diminui primeiro e depois aumenta com o aumento de Rb. No ponto Rb = 0,565 μm, um valor mínimo pode ser obtido.

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. Como mostrado na Fig. 5, a parte real de EMI tem mesma tendência de variação para modos TE e TM com diferença constante. Como o modulador é baseado no princípio de eletro-absorção, apenas precisamos nos importar com a parte imaginária de EMI. O que é mais, sob todos os valores de μc, o α de ambos TE e TM são quase idênticos. É a propriedade que precisamos para projetar modulador eletro-absortivo independente de polarização. Um valor mais alto e mais baixo de α (proporcional à parte imaginária de EMI) pode ser obtido em μc = 0,1 eV e μc = 0,8 eV, respectivamente (Fig. 5). Assim, o ponto de μc = 0,1 eV e μc = 0,8 eV pode ser escolhido como pontos de estado "DESLIGADO" e "LIGADO".

A variação de α como função de comprimento de onda é apresentada na Fig. 6a, b. Pode ser visto da Fig. 6 que o α dos dois modos é muito idêntico com a mudança de comprimento de onda no estado de forte absorção ("DESLIGADO"), e as diferenças entre os dois modos foram mantidas relativamente pequenas. No estado "LIGADO", a discrepância de α entre modos TE e TM está na ordem de 10⁻⁴. Para medir a discrepância further e precisamente entre 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 como função de comprimento de onda sob condição de guia de ondas de 200 μm de comprimento. Como mostrado na Fig. 7, pode ser visto do 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 PSL é menor que 0,24 dB.

Para um modulador óptico, a largura de banda de modulação de 3 dB f3dB é sempre um dos parâmetros importantes a ser considerado. Como o grafeno tem mobilidade de portadores ultra-alta à temperatura ambiente, a velocidade de operação do modulador baseado em grafeno não é mais limitada pelo tempo de vida de portadores minoritários como moduladores semicondutores tradicionais são. A f3dB de um modulador baseado em grafeno é principalmente impedida por atraso RC, que pode ser expressa como

f3dB = 1/(2πRC)

O R é a resistência total do dispositivo, incluindo resistência de folha de grafeno Rs e resistência de contato metal-grafeno Rc, que foi cuidadosamente discutida em trabalhos prévios. O C é a capacitância do modulador, que consiste principalmente no capacitor formado pelas duas folhas de grafeno. Embora este capacitor não seja um modelo de capacitor de placas paralelas ideal, para estimar preliminarmente a f3dB, ainda usamos o modelo de capacitor de placas paralelas para calcular o C. Em nossos cálculos, Rc = 100 Ω/μm e Rs = 200 Ω/μm foram usados, e a largura de sobreposição de duas folhas de grafeno é cerca de 1,53 μm. A f3dB estimada é tão alta quanto 136 GHz. Além disso, valores mais baixos de ambos Rs e Rc são possíveis no futuro, o que significa f3dB mais alto pode ser obtido.

As simulações acima são baseadas no layout semi-elíptico com Ra = 0,35 μm e Rb = 0,565 μm. No entanto, na fabricação, este tamanho exato de raio 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 dois modos ainda é menor que 0,6 dB. Então, nosso dispositivo tem grande tolerância de fabricação.

Conclusões

Em conclusão, apresentamos um conceito de modulador óptico eletro-absortivo de grafeno de banda larga independente de polarização no infravermelho médio. Em nossa estrutura, grafeno de dupla camada em estrutura U é colocado em guia de ondas de vidro calcopirita. Sob diferentes potenciais químicos de grafeno, diferentes comprimentos de onda e diferentes comprimentos de raio curto, as variações de EMI induzidas por grafeno para ambos os modos TE e TM são investigadas. Os resultados mostram que modos TE e TM têm coeficiente de absorção quase idêntico no infravermelho médio 2-2,4 μm, o que satisfaz o requisito de modulação independente de polarização. Baseado nesta estrutura, o modulador com comprimento de 200 μm tem profundidade de modulação superior a 16 dB. A diferença de profundidade de modulação entre os dois modos é 0,24 dB, e a largura de banda de modulação teórica do dispositivo é tão alta quanto 136 GHz. Acreditamos que este modulador eletro-óptico de grafeno no infravermelho médio independente de polarização further promoverá o estudo do modulador baseado em grafeno nas bandas de 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:

Elétrico transversal

PSL:

Perda de sensibilidade à polarização

FEM:

Método de elementos finitos

EMI:

Índice de modo efetivo

hBN:

Nitreto de boro hexagonal