Polarisasi Berbasis Grafena-Independen Modulator Penyerapan Elektro-Inframerah Pertengahan Inframerah Terintegrasi dalam Panduan Gelombang Kaca Chalcogenide
Abstrak
Modulator optik mid-infrared berbasis graphene yang tidak sensitif terhadap polarisasi disajikan yang terdiri dari SiO2 / Ge23 Sb7 S70 , di mana dua lapisan graphene disematkan dengan tata letak semielips untuk mendukung mode polarisasi transverse magnetic (TM) dan transverse electric (TE) dengan penyerapan yang identik. Indeks kinerja utama untuk modulator independen polarisasi adalah polarization-sensitivity loss (PSL). Waveguide perangkat kami hanya mendukung mode TE dan TM dasar, dan PSL antara dua mode adalah < 0,24 dB. Model dapat menawarkan rasio kepunahan (ER) lebih dari 16 dB dan insertion loss kurang dari 1 dB. Spektrum operasi berkisar dari 2 hingga 2,4 m dengan bandwidth optik 400 nm. Bandwidth modulasi 3 dB setinggi 136 GHz berdasarkan perhitungan teoretis.
Pengantar
Jaringan komunikasi serat optik dengan panjang gelombang inframerah-dekat menjadi inti dari seluruh jaringan telekomunikasi. Namun, mid-inframerah juga merupakan gelombang penting untuk aplikasi perangkat elektro-optik di bidang militer dan sipil, seperti penanggulangan inframerah, penginderaan kimia, panduan inframerah, pemantauan lingkungan, komunikasi ruang angkasa, dll. Selain itu, inframerah-tengah perangkat elektro-optik terintegrasi, seperti fotodetektor dan modulator, juga dikembangkan untuk memperluas jendela komunikasi 1,55 m.
Dalam beberapa tahun terakhir, bahan elektro-optik fungsional 2D, seperti graphene [1,2,3,4], chalcogenide [5], dan fosfor hitam [6], telah ditemukan, yang mempercepat pengembangan elektro-optik terintegrasi dan memecahkan batasan kinerja tradisional. Di antara bahan-bahan ini, graphene dianggap sebagai bahan yang ideal untuk mewujudkan modulator optik karena beberapa keunggulan yang menarik [7], seperti penyerapan konstan pada spektrum yang luas [8], mobilitas pembawa ultra-tinggi pada suhu kamar [9], dapat dikontrol secara elektrik. konduktivitas dan kompatibilitas dengan pemrosesan CMOS. Akibatnya, modulator optik berbasis graphene telah menjadi topik penelitian yang hangat. Namun, sejauh ini, pita gelombang operasi dari modulator optik berbasis graphene yang paling banyak dilaporkan adalah sekitar 1,31 m atau 1,55 m [10,11,12,13]. Prinsip modulasi inframerah dekat dan inframerah tengah adalah sama, tetapi panjang gelombang operasi modulator terutama tergantung pada jendela transparansi pandu gelombang. Poin kunci untuk realisasi modulator inframerah-tengah berbasis graphene adalah integrasi graphene dan berbagai bahan pandu gelombang inframerah-tengah. Pada tahun 2017, Lin dkk. [14] melaporkan modulator optik penyerapan-elektro inframerah-tengah berdasarkan Ge23 Sb7 S70 struktur -on-graphene, yang membuka bidang modulator mid-infrared berbasis graphene.
Grafena sebagai bahan elektro-optik, kita juga perlu mempertimbangkan salah satu karakteristik paling penting dari dielektrik anisotropik [15], yang telah dibuktikan secara eksperimental dalam artikel ini [16]. Permitivitas pada bidang dapat disetel, namun permisivitas vertikal adalah konstan 2,5. Jadi, graphene hanya dapat berinteraksi kuat dengan medan listrik dalam bidang [10], itulah alasan mengapa modulator berbasis graphene yang dilaporkan sebelumnya memiliki ketergantungan polarisasi yang kuat, di mana modulator hanya dapat memodulasi mode medan listrik dalam bidang [10] ,11,12,13]. Umumnya, keadaan polarisasi cahaya dalam pandu gelombang atau serat adalah acak. Untuk mewujudkan aplikasi komersial yang luas dari modulator berbasis graphene, masalah ketergantungan polarisasi perlu dipecahkan.
Dalam karya ini, kami menyajikan struktur baru modulator elektro-optik independen polarisasi inframerah-tengah berbasis graphene, yang memiliki keunggulan bandwidth modulasi besar dan spektrum ketidakpekaan polarisasi yang luas. Kami menggunakan struktur SOI dan Ge23 Sb7 S70 strip kaca yang tertanam dalam SiO2 cladding sebagai inti pandu gelombang. Di Ge23 Sb7 S70 pandu gelombang, dua lapisan graphene berdistribusi tipe U (semilipse) dan diisolasi oleh Ge23 Sb7 S70 kaca. Karena lapisan graphene adalah distribusi tipe-U, mode TE dan TM dapat sangat berinteraksi dengan graphene. Dengan memilih parameter struktur yang tepat, kita dapat mengatasi ketergantungan polarisasi dengan baik. Menggunakan metode elemen hingga (FEM), kami menganalisis indeks mode efektif (EMI) dan koefisien penyerapan (α ) dari U -struktur perangkat. Hasilnya menunjukkan bahwa bagian nyata dari EMI untuk TE (Nte ) dan TM (Ntm ) mode memiliki fluktuasi yang sama (dengan perbedaan konstan) dalam potensial kimia yang berbeda (μc ), dan bagian imajiner dari mode TE dan TM memiliki fluktuasi yang hampir identik dan panjang gelombang yang independen dalam spektrum yang luas. Dengan pemilihan titik switching yang tepat untuk status "ON" dan "OFF", untuk mode TE dan TM, kedalaman modulasi lebih dari 16 dB, spektrum panjang gelombang operasi adalah 2-2,4 m, PSL kurang dari 0,24 dB, dan bandwidth modulasi 3 dB teoritis setinggi 136 GHz.
Metode
Jendela transparansi Ge23 Sb7 S70 kaca berkisar dari 2 hingga 10 m [17] yang merupakan bahan yang bagus untuk fotonik inframerah-tengah. Studi sebelumnya dipimpin oleh Lin et al. [14] telah membuktikan kelayakannya untuk mewujudkan Ge23 Sb7 S70 -graphene modulator inframerah-tengah. Dalam pekerjaan ini, kami juga menggunakan Ge23 Sb7 S70 kaca sebagai bahan pemandu gelombang. Struktur geometri dari modulator yang kami usulkan digambarkan pada Gambar. 1, yang dibuat menggunakan proses nanoimprint termal. Rincian langkah-langkah proses secara skema diilustrasikan pada Gambar. 1. Anda juga dapat referensi kertas [18] untuk mendapatkan rincian untuk persiapan stempel komposit PDMS dan Ge23 Sb7 S70 larutan kaca. Detail untuk ukuran geometris dan bahan disajikan pada Gambar. 2b.
Alur proses skematis dari modulator berbasis graphene yang terintegrasi dalam Ge23 Sb7 S70
Ilustrasi modulator optik polarisasi elektro-penyerapan. a Diagram Skema 3D dari modulator; b Penampang 2D Ge struktur U23 Sb7 S70 -panduan gelombang graphene, jarak antara dua lapisan graphene d = 50 nm, lebar pandu gelombang w = 0,96 m, tinggi h =0,8 m. Distribusi medan listrik untuk mode TE (c ) dan mode TM (d ), panah menunjukkan arah polarisasi
A SiO2 lapisan dengan ketebalan h = 0,8 m ditumbuhkan pada substrat Si, kemudian dibuat alur dengan lebar w = 0,96 m dan tinggi h = 0,8 m dalam SiO2 lapisan dengan menggunakan metode fotolitografi. Setelah mengisi Ge23 Sb7 S70 solusi dan pola dengan pencetakan nano termal, Ge23 . tipe-U Sb7 S70 dibuat alur. Lapisan boron nitrida (hBN) heksagonal setebal 10 nm diaspal di area datar. Kemudian, lapisan graphene pertama, dengan ketebalan 50 nm (spin-coating) Ge23 Sb7 S70 isolator dan lapisan graphene kedua diaspal ke Ge tipe U23 Sb7 S70 alur secara berurutan. Akhirnya, kami mengisi Ge tipe U23 Sb7 S70 alur dengan Ge23 Sb7 S70 larutan dan mentransfer cladding hBN dan menambahkan elektroda. Struktur elektrodanya adalah Au–Pd-graphene karena resistansi kontak antara graphene dan Pd kurang dari 100(Ω/μm) [19]. Lebar lembaran graphene antara elektroda dan pandu gelombang adalah 0,8 m. Gambar 2c, d menyajikan distribusi medan listrik untuk mode TE (dalam bidang) dan TM (bidang vertikal).
Ketika tegangan diterapkan ke graphene, potensi kimia graphene μc disetel secara dinamis. Dalam model kami, graphene diperlakukan sebagai bahan anisotropik. Permitivitas tegak lurus ε⊥ dari graphene tidak berbeda dengan μc dan selalu tetap sebagai konstanta 2,5, sedangkan permitivitas dalam bidang dari graphene ε‖ dapat disetel sebagai [12].
δ singkatan dari konduktivitas graphene dan berhubungan dengan potensi kimia μc , yang dapat disimpulkan dari rumus Kubo [20]. ω mewakili frekuensi radian, dan hg = 0,7 nm adalah ketebalan efektif graphene.
Kami membuat Ge23 Sb7 S70 pandu gelombang strip, di mana dua lapisan graphene datar tertanam (Gbr. 3 sisipan). Gambar 3 memplot bagian nyata dan imajiner dari EMI untuk mode TE dan TM pada panjang gelombang 2,2 m. EMI mode TE jelas berubah untuk bagian nyata dan imajiner. Sebaliknya, tidak ada fluktuasi signifikan yang terjadi pada EMI mode TM untuk bagian nyata dan imajiner. Alasan utamanya adalah polarisasi mode TM tegak lurus terhadap bidang graphene dan ε‖ tidak dapat disetel dalam potensial kimia. Dalam karya ini, kami menekuk lapisan graphene sebagai tata letak tipe-U untuk memberikan pengaruh yang sama pada mode TE dan TM.
Graphene diaspal lurus di Ge23 Sb7 S70 pandu gelombang strip. Bagian nyata dan imajiner dari EMI untuk mode TE dan TM pada panjang gelombang 2,2 m
Hasil dan Diskusi
Meskipun modulator elektro-optik independen polarisasi berdasarkan graphene telah dilaporkan [15,16,17,18,19,20,21], independensi polarisasi perangkat ini terkait erat dengan panjang gelombang [22]. Oleh karena itu, dalam model kami, struktur-U digunakan, di mana kami menemukan bahwa sensitivitas polarisasi pandu gelombang adalah korelasi yang lemah dengan panjang gelombang. Bagian imajiner dari EMI dikenal sebagai elektro-absorpsi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3, bagian imajiner dari EMI mencapai puncaknya pada potensial kimia rendah sekitar μc =0,1 eV. Jadi, μc = 0,1 titik eV dapat dipilih sebagai titik status “OFF”. Pada saat yang sama, perbedaan bagian imajiner dari EMI antara mode TE dan TM paling tinggi pada titik status "OFF". Untuk mendapatkan selisih serapan yang lebih rendah, kita hanya perlu memperkecil selisih serapan pada titik keadaan “OFF”. Pada panjang gelombang = 2.2 m dan Ra = 0.35 m (ukuran jari-jari kecil elips yang merupakan sumbu horizontal), dengan menyapu μc dari 0,1 hingga 0,8 eV, di bawah Rb yang berbeda (ukuran jari-jari utama elips yang merupakan sumbu vertikal), pengaruhnya bervariasi μc pada EMI untuk mode TE dan TM dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Jelas bahwa nilai perbedaan antara mode TE dan TM menurun dengan cepat saat Rb disetel dari 0,35 menjadi 0,55 m. Ini menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mencapai PSL yang lebih rendah di sekitar Rb = 0.55um. Oleh karena itu, dengan menyapu parameter Rb sekitar 0,55 m, kami menemukan bahwa perbedaan penyerapan antara mode TE dan TM berkurang terlebih dahulu dan kemudian meningkat dengan meningkatnya Rb. Pada titik Rb = 0.565 m, nilai minimum dapat diperoleh.
a Koefisien penyerapan mode TE dan TM sebagai fungsi dari μc pada Rb berbeda, (panjang gelombang = 2.2 m, Ra = 0.35 m); b koefisien penyerapan mode TE dan TM sebagai fungsi dari Rb (Ra = 0,35 m, panjang gelombang = 2.2 m, μc = 0,1 eV)
Ketika Ra = 0.35 m, Rb = 0.565 m, panjang gelombang = 2.2 m, variasi EMI untuk mode TE dan TM dengan potensi kimia dianalisis. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, bagian nyata dari EMI memiliki tren variasi yang sama untuk mode TE dan TM dengan perbedaan konstan. Karena modulator didasarkan pada prinsip penyerapan-elektro, kita hanya perlu memperhatikan bagian imajiner EMI. Terlebih lagi, di bawah semua μc nilai, α TE dan TM hampir identik. Ini adalah properti yang kita butuhkan untuk merancang modulator elektro-absorpsi independen polarisasi. Nilai tertinggi dan terendah α (sebanding dengan bagian imajiner dari EMI) dapat diperoleh di μc = 0,1 eV dan μc = 0,8 eV, masing-masing (Gbr. 5). Jadi, inti dari μc = 0,1 eV dan μc = 0,8 eV dapat dipilih sebagai titik status “OFF” dan “ON”.
Ilustrasi bagian nyata dan imajiner EMI untuk mode TE dan TM sebagai fungsi potensial kimia
Variasi dari α sebagai fungsi panjang gelombang disajikan pada Gambar. 6a, b. Dapat dilihat dari Gambar 6 bahwa α dari dua mode sangat identik dengan perubahan panjang gelombang dalam keadaan penyerapan kuat ("OFF" state), dan perbedaan antara kedua mode tetap relatif kecil. Pada keadaan “ON”, perbedaan antara mode TE dan TM berada pada urutan 10
–4
. Untuk mengukur perbedaan lebih lanjut dan akurat antara dua mode, PSL didefinisikan sebagai PSL = ER(TE)-ER(TM), di mana ER adalah rasio kepunahan. Kami mengukur kedalaman modulasi modulator dalam dua mode sebagai fungsi panjang gelombang di bawah kondisi pandu gelombang sepanjang 200 m. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, dapat dilihat dari diagram bahwa dalam rentang spektrum luas 2–2,4 m, kedalaman modulasi kedua mode lebih dari 16 dB, dan PSL kurang dari 0,24 dB.
Koefisien penyerapan (α ) dari TE dan TM memiliki fluktuasi yang hampir sama dengan perubahan panjang gelombang pada keadaan “OFF” (a ) dan status “ON” (b )
Kedalaman modulasi dari dua mode dan PSL (garis ER(TE-TM)) antara dua mode pada panjang gelombang yang berbeda
Untuk modulator optik, bandwidth modulasi 3 dB f3dB selalu menjadi salah satu parameter penting yang harus diperhatikan. Karena graphene memiliki mobilitas pembawa ultra tinggi pada suhu kamar, kecepatan operasi modulator berbasis graphene tidak lagi dibatasi oleh masa pakai pembawa minoritas seperti modulator semikonduktor tradisional. f3dB dari modulator berbasis graphene terutama terhambat oleh penundaan RC, yang dapat dinyatakan sebagai
$$f_{{3\;{\text{dB}}}} =\frac{1}{2\pi RC}$$ (2)
R adalah resistansi total perangkat, termasuk resistansi lembaran graphene Rs dan resistansi kontak logam-graphene Rc, yang telah dibahas dengan cermat dalam karya sebelumnya [23]-[25]. C adalah kapasitansi modulator, yang terutama terdiri dari kapasitor yang dibentuk oleh dua serpihan graphene. Meskipun kapasitor ini bukan model kapasitor keping sejajar yang ideal, untuk memperkirakan terlebih dahulu f3dB , kami masih menggunakan model kapasitor pelat paralel untuk menghitung C . Dalam perhitungan kami, Rc = 100 /μm [19] dan Rs = 200 /μm [26] digunakan, dan lebar tumpang tindih dua serpihan graphene adalah sekitar 1,53 m. Perkiraan f3dB setinggi 136 GHz. Selain itu, nilai Rs dan Rc yang lebih rendah dimungkinkan di masa mendatang, yang berarti f . yang lebih tinggi 3dB dapat diperoleh.
Simulasi di atas didasarkan pada layout semielips dengan Ra = 0.35 m dan Rb = 0.565 m. Namun, dalam fabrikasi, ukuran radius yang tepat ini tidak selalu dapat dijamin. Oleh karena itu, kami juga menyelidiki toleransi fabrikasi (Gbr. 8). Ketika Ra bervariasi dari 0,345 hingga 0,355 m (Gbr. 8a), atau Rb bervariasi dari 0,56 hingga 0,57 m (Gbr. 8b), PSL antara dua mode masih lebih rendah dari 0,6 dB. Jadi, perangkat kami memiliki toleransi fabrikasi yang besar.
Kedalaman modulasi dua mode pada Ra yang berbeda (a ) atau Rb (b )
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami mempresentasikan konsep modulator optik penyerapan elektro-elektro-absorbsi berbasis polarisasi broadband-independen berbasis graphene. Dalam struktur kami, graphene lapisan ganda struktur-U ditempatkan dalam pandu gelombang kaca chalcogenide. Di bawah potensi kimia graphene yang berbeda, panjang gelombang yang berbeda dan panjang radius pendek yang berbeda, variasi EMI yang diinduksi graphene untuk mode TE dan TM diselidiki. Hasil penelitian menunjukkan bahwa mode TE dan TM memiliki variasi koefisien serapan yang hampir identik pada pertengahan inframerah 2-2,4 m, yang memenuhi persyaratan modulasi bebas polarisasi. Berdasarkan struktur tersebut, modulator dengan panjang 200 m memiliki kedalaman modulasi lebih dari 16 dB. Perbedaan kedalaman modulasi antara dua mode adalah 0,24 dB, dan bandwidth modulasi teoritis perangkat setinggi 136 GHz. Kami percaya bahwa modulator elektro-optik berbasis graphene independen polarisasi pertengahan inframerah ini akan lebih mempromosikan studi modulator berbasis graphene di pita inframerah tengah.
Ketersediaan data dan materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
