Modulator Elektro-Absorpsi Grafen Mid-IR Independen Polarisasi pada Gelombang Kaca Chalkogenida
Abstrak
Disajikan modulator optik mid-infrared berbasis grafen yang tidak sensitif terhadap polarisasi, yang terdiri dari SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀, di mana dua lapis grafen disematkan dengan tata letak semiellipse untuk mendukung mode polarisasi transverse magnetic (TM) dan transverse electric (TE) dengan absorpsi yang identik. Indeks kinerja utama untuk modulator independen polarisasi adalah kerugian sensitivitas polarisasi (PSL). Gelombang perangkat kami hanya mendukung mode TE dan TM dasar, dan PSL antara kedua mode adalah < 0,24 dB. Model dapat menawarkan rasio kepunahan (ER) lebih dari 16 dB dan kerugian penyisipan kurang dari 1 dB. Spektrum operasi berkisar dari 2 hingga 2,4 μm dengan lebar pita optik 400 nm. Lebar pita modulasi 3 dB mencapai hingga 136 GHz berdasarkan perhitungan teoritis.
Pendahuluan
Jaringan komunikasi serat optik panjang gelombang dekat inframerah semakin menjadi inti dari seluruh jaringan telekomunikasi. Namun, panjang gelombang mid-infrared juga merupakan pita penting untuk aplikasi perangkat optoelektronik di bidang militer dan sipil, seperti tindakan lawan inframerah, pengendalian kimia, bimbingan inframerah, pemantauan lingkungan, komunikasi ruang angkasa, dan lain-lain. Selain itu, perangkat optoelektronik terintegrasi mid-infrared, seperti fotodetektor dan modulator, juga dikembangkan untuk memperluas jendela komunikasi 1,55 μm.
Dalam beberapa tahun terakhir, materi optoelektronik fungsional 2D, seperti grafen [1,2,3,4], kalsedonida [5], dan fosfor hitam [6], telah ditemukan, yang mempercepat pengembangan optoelektronik terintegrasi dan melampaui batasan kinerja tradisional. Di antara materi ini, grafen dianggap sebagai materi ideal untuk merealisasikan modulator optik karena beberapa keunggulan menarik [7], seperti absorpsi konstan pada spektrum lebar [8], mobilitas pembawa muatan ultra-tinggi pada suhu ruangan [9], konduktivitas yang dapat dikontrol secara listrik, dan kompatibilitas dengan pemrosesan CMOS. Akibatnya, modulator optik berbasis grafen telah menjadi topik penelitian yang hangat. Namun, hingga saat ini, pita operasi sebagian besar modulator optik berbasis grafen yang dilaporkan berada di sekitar 1,31 μm atau 1,55 μm [10,11,12,13]. Prinsip modulasi inframerah dekat dan mid-infrared sama, tetapi panjang gelombang operasi modulator terutama bergantung pada jendela transparansi gelombang. Kunci untuk merealisasikan modulator mid-infrared berbasis grafen adalah integrasi grafen dengan berbagai materi gelombang mid-infrared. Pada tahun 2017, Lin et al. [14] melaporkan modulator optik elektro-absorpsi mid-infrared berdasarkan struktur Ge₂₃Sb₇S₇₀-on-graphen, yang membuka bidang modulator mid-infrared berbasis grafen.
Grafen sebagai materi optoelektronik, kita juga perlu mempertimbangkan salah satu karakteristik utama dari dielektrik ananisotropik [15], yang telah terbukti secara eksperimental dalam artikel ini [16]. Permitivitas di bidang dapat disesuaikan, namun, permitivitas vertikal adalah konstan sebesar 2,5. Jadi, grafen hanya dapat berinteraksi secara kuat dengan medan listrik di bidang [10], itulah sebabnya modulator berbasis grafen yang dilaporkan sebelumnya memiliki ketergantungan polarisasi yang kuat, di mana modulator hanya dapat memodulasi mode medan listrik di bidang [10,11,12,13]. Secara umum, status polarisasi cahaya dalam gelombang atau serat adalah acak. Untuk merealisasikan aplikasi komersial yang luas dari modulator berbasis grafen, masalah ketergantungan polarisasi perlu diatasi.
Dalam karya ini, kami menyajikan struktur baru dari modulator optoelektronik mid-infrared berbasis grafen yang independen polarisasi, yang memiliki keunggulan lebar pita modulasi yang besar dan spektrum ketidaksensitifan polarisasi yang luas. Kami menggunakan struktur SOI dan strip kaca Ge₂₃Sb₇S₇₀ yang tertanam dalam penutup SiO₂ sebagai inti gelombang. Dalam gelombang Ge₂₃Sb₇S₇₀, dua lapis grafen memiliki distribusi jenis U (semiellipse) dan diisolasi oleh kaca Ge₂₃Sb₇S₇₀. Karena lapis grafen memiliki distribusi jenis U, baik mode TE maupun TM dapat berinteraksi secara kuat dengan grafen. 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 absorpsi (α) dari perangkat struktur U. Hasilnya menunjukkan bahwa bagian riil dari EMI untuk mode TE (N_te) dan TM (N_tm) memiliki fluktuasi yang sama (dengan perbedaan konstan) pada potensi kimia yang berbeda (μ_c), dan bagian imajiner dari kedua mode TE dan TM memiliki fluktuasi yang hampir identik dan tidak bergantung pada panjang gelombang pada spektrum lebar. Dengan memilih titik pemutihan yang tepat untuk kondisi "ON" dan "OFF", untuk kedua mode TE dan TM, kedalaman modulasi lebih dari 16 dB, spektrum panjang gelombang operasi adalah 2–2,4 μm, PSL kurang dari 0,24 dB, dan lebar pita modulasi 3 dB teoritis mencapai hingga 136 GHz.
Metode
Jendela transparansi kaca Ge₂₃Sb₇S₇₀ berkisar dari 2 hingga 10 μm [17] yang merupakan materi yang besar untuk fotonika mid-infrared. Penelitian sebelumnya yang dipimpin oleh Lin et al. [14] telah membuktikan kelayakannya untuk merealisasikan modulator mid-infrared Ge₂₃Sb₇S₇₀-grafen. Dalam karya ini, kami juga mengambil kaca Ge₂₃Sb₇S₇₀ sebagai materi gelombang. Struktur geometris dari modulator yang diusulkan kami digambarkan dalam Gambar 1, yang difabrikasi menggunakan proses nanoimprint termal. Detail langkah proses secara skematis diilustrasikan dalam Gambar 1. Anda juga dapat merujuk pada paper [18] untuk mendapatkan detail tentang persiapan stempel komposit PDMS dan larutan kaca Ge₂₃Sb₇S₇₀. Detail ukuran geometris dan materi disajikan dalam Gambar 2b.
Alur proses skematis dari modulator berbasis grafen yang terintegrasi dalam Ge₂₃Sb₇S₇₀
Ilustrasi dari modulator optik elektro-absorpsi independen polarisasi. a Diagram skematis 3D dari modulator; b Potongan lintang 2D dari gelombang Ge₂₃Sb₇S₇₀-grafen struktur U, jarak antara dua lapis grafen d = 50 nm, lebar gelombang w = 0,96 μm, tinggi h = 0,8 μm. Distribusi medan listrik untuk mode TE (c) dan mode TM (d), panah menunjukkan arah polarisasi
Lapisan SiO₂ dengan tebal h = 0,8 μm ditanam pada substrat Si, dan kemudian sebuah ranah dengan lebar w = 0,96 μm dan tinggi h = 0,8 μm dibuat pada lapisan SiO₂ menggunakan metode litografi cahaya. Setelah mengisi larutan Ge₂₃Sb₇S₇₀ dan mencetak pola dengan nanoimprint termal, sebuah ranah Ge₂₃Sb₇S₇₀ jenis U dibuat. Lapisan boron nitride heksagonal (hBN) dengan tebal 10 nm dipasang di area datar. Kemudian, lapis grafen pertama, insulator Ge₂₃Sb₇S₇₀ dengan tebal 50 nm (spin-coating), dan lapis grafen kedua dipasang pada ranah Ge₂₃Sb₇S₇₀ jenis U secara berurutan. Akhirnya, kami mengisi ranah Ge₂₃Sb₇S₇₀ jenis U dengan larutan Ge₂₃Sb₇S₇₀ dan mentransfer penutup hBN serta menambahkan elektrode. Struktur elektrode adalah Au–Pd-grafen karena resistensi kontak antara grafen dan Pd kurang dari 100 (Ω/μm) [19]. Lebar sheet grafen antara elektrode dan gelombang adalah 0,8 μm. Gambar 2c, d menyajikan distribusi medan listrik untuk kedua mode TE (di bidang) dan TM (datar vertikal).
Ketika tegangan diterapkan pada grafen, potensi kimia grafen μ_c secara dinamis disesuaikan. Dalam model kami, grafen diperlakukan sebagai materi ananisotropik. Permitivitas tegak lurus grafen ε_⊥ tidak bervariasi dengan μ_c dan selalu tetap konstan sebesar 2,5, sedangkan permitivitas di bidang grafen ε_‖ dapat disesuaikan sebagai [12].
Di sini, δ adalah konduktivitas grafen dan berhubungan dengan potensi kimia μ_c, yang dapat diturunkan dari rumus Kubo [20]. ω mewakili frekuensi sudut, dan h_g = 0,7 nm adalah tebal efektif grafen.
Kami membuat strip gelombang Ge₂₃Sb₇S₇₀, di mana dua lapis grafen datar disematkan (Gambar 3 insert). Gambar 3 mencetak bagian riil dan imajiner dari EMI untuk kedua mode TE dan TM pada panjang gelombang 2,2 μm. EMI mode TE berubah secara jelas baik pada bagian riil maupun imajiner. Sebaliknya, tidak ada fluktuasi signifikan yang terjadi pada EMI mode TM baik pada bagian riil maupun imajiner. Alasan utamanya adalah karena polarisasi mode TM tegak lurus terhadap bidang grafen dan ε_‖ tidak dapat disesuaikan dengan potensi kimia. Dalam karya ini, kami melengkungkan lapis grafen sebagai tata letak jenis U untuk memberikan pengaruh yang sama pada kedua mode TE dan TM.
Grafen dipasang secara lurus pada strip gelombang Ge₂₃Sb₇S₇₀. Bagian riil dan imajiner dari EMI untuk kedua mode TE dan TM pada panjang gelombang 2,2 μm
Hasil dan Pembahasan
Meskipun modulator optoelektronik independen polarisasi berbasis grafen telah dilaporkan [15,16,17,18,19,20,21], ketidaksensitifan polarisasi dari perangkat ini berkaitan erat dengan panjang gelombang [22]. Oleh karena itu, dalam model kami, struktur U digunakan, di mana kami menemukan bahwa sensitivitas polarisasi gelombang memiliki korelasi lemah dengan panjang gelombang. Bagian imajiner dari EMI dikenal sebagai elektro-absorpsi. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, bagian imajiner dari EMI mencapai puncak pada potensi kimia rendah sekitar μ_c = 0,1 eV. Jadi, titik μ_c = 0,1 eV dapat dipilih sebagai titik kondisi "OFF". Pada saat yang sama, perbedaan bagian imajiner dari EMI antara mode TE dan TM tertinggi pada titik kondisi "OFF". Untuk mendapatkan perbedaan absorpsi yang lebih rendah, kita hanya perlu meminimalkan perbedaan absorpsi pada titik kondisi "OFF". Pada panjang gelombang = 2,2 μm dan Ra = 0,35 μm (ukuran jari-jari kecil dari elips yang merupakan sumbu horizontal), dengan menyisipkan μ_c dari 0,1 hingga 0,8 eV, di bawah berbagai Rb (ukuran jari-jari besar dari elips yang merupakan sumbu vertikal), pengaruh μ_c yang bervariasi pada EMI untuk kedua mode TE dan TM dianalisis, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a. Terlihat jelas bahwa nilai perbedaan antara mode TE dan TM menurun dengan cepat saat Rb disesuaikan dari 0,35 hingga 0,55 μm. Ini menunjukkan bahwa mungkin untuk mencapai PSL yang lebih rendah sekitar Rb = 0,55 μm. Oleh karena itu, menyisipkan parameter Rb sekitar 0,55 μm, kami menemukan bahwa perbedaan absorpsi antara mode TE dan TM pertama-tama menurun dan kemudian naik seiring dengan peningkatan Rb. Pada titik Rb = 0,565 μm, nilai minimum dapat diperoleh.
a Koefisien absorpsi mode TE dan TM sebagai fungsi dari μ_c pada berbagai Rb, (panjang gelombang = 2,2 μm, Ra = 0,35 μm); b koefisien absorpsi mode TE dan TM sebagai fungsi dari Rb (Ra = 0,35 μm, panjang gelombang = 2,2 μm, μ_c = 0,1 eV)
Ketika Ra = 0,35 μm, Rb = 0,565 μm, panjang gelombang = 2,2 μm, variasi EMI untuk kedua mode TE dan TM dengan potensi kimia dianalisis. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5, bagian riil dari EMI memiliki pola variasi yang sama untuk mode TE dan TM dengan perbedaan konstan. Karena modulator didasarkan pada prinsip elektro-absorpsi, kita hanya perlu memperhatikan bagian imajiner dari EMI. Lebih jauh, di bawah semua nilai μ_c, α dari kedua mode TE dan TM hampir identik. Ini adalah properti yang kita butuhkan untuk merancang modulator elektro-absorpsi independen polarisasi. Nilai tertinggi dan terendah dari α (proporsional terhadap bagian imajiner dari EMI) dapat diperoleh pada μ_c = 0,1 eV dan μ_c = 0,8 eV, masing-masing (Gambar 5). Jadi, titik μ_c = 0,1 eV dan μ_c = 0,8 eV dapat dipilih sebagai titik kondisi "OFF" dan "ON".
Ilustrasi bagian riil dan imajiner dari EMI untuk kedua mode TE dan TM sebagai fungsi dari potensi kimia
Variasi α sebagai fungsi dari panjang gelombang disajikan dalam Gambar 6a, b. Terlihat dari Gambar 6 bahwa α dari kedua mode sangat identik dengan perubahan panjang gelombang pada kondisi absorpsi kuat (kondisi "OFF"), dan perbedaan antara kedua mode tetap relatif kecil. Pada kondisi "ON", perbedaan α antara mode TE dan TM berada pada urutan 10⁻⁴. Untuk mengukur perbedaan yang lebih lanjut dan akurat antara kedua 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 dari panjang gelombang dengan kondisi panjang gelombang 200 μm. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7, terlihat dari diagram bahwa dalam rentang spektrum luas 2–2,4 μm, kedalaman modulasi dari kedua mode lebih dari 16 dB, dan PSL kurang dari 0,24 dB.
Koefisien absorpsi (α) dari TE dan TM memiliki fluktuasi yang hampir identik dengan perubahan panjang gelombang pada kondisi "OFF" (a) dan kondisi "ON" (b)
Kedalaman modulasi dari kedua mode dan PSL (garis ER(TE-TM)) antara kedua mode pada berbagai panjang gelombang
Untuk modulator optik, lebar pita modulasi 3 dB f_3dB selalu merupakan salah satu parameter penting yang menjadi perhatian. Karena grafen memiliki mobilitas pembawa muatan ultra-tinggi pada suhu ruangan, kecepatan operasi modulator berbasis grafen tidak lagi dibatasi oleh umur pembawa minor seperti pada modulator semikonduktor tradisional. f_3dB dari modulator berbasis grafen terutama terhalang oleh penundaan RC, yang dapat dinyatakan sebagai
$$f_{{3\;{\text{dB}}}} = \frac{1}{2\pi RC}$$ (2)
Di sini, R adalah resistansi total perangkat, termasuk resistansi sheet grafen Rs dan resistansi kontak logam-grafen Rc, yang telah dibahas dengan cermat dalam karya sebelumnya [23]-[25]. C adalah kapasitansi modulator, yang terutama terdiri dari kapasitor yang dibentuk oleh dua flak grafen. Meskipun kapasitor ini bukan model kapasitor plat paralel ideal, untuk memperkirakan f_3dB secara awal, kami masih menggunakan model kapasitor plat paralel untuk menghitung C. Dalam perhitungan kami, Rc = 100 Ω/μm [19] dan Rs = 200 Ω/μm [26] digunakan, dan lebar tumpang tindih dua flak grafen sekitar 1,53 μm. Nilai perkiraan f_3dB mencapai hingga 136 GHz. Lebih jauh, nilai Rs dan Rc yang lebih rendah mungkin di masa depan, yang berarti f_3dB yang lebih tinggi dapat diperoleh.
Simulasi di atas didasarkan pada tata letak semiellipse dengan Ra = 0,35 μm dan Rb = 0,565 μm. Namun, dalam fabrikasi, ukuran jari-jari yang tepat ini tidak selalu dapat dijamin. Oleh karena itu, kami juga telah menyelidiki toleransi fabrikasi (Gambar 8). Ketika Ra bervariasi dari 0,345 hingga 0,355 μm (Gambar 8a), atau Rb bervariasi dari 0,56 hingga 0,57 μm (Gambar 8b), PSL antara kedua mode masih lebih rendah dari 0,6 dB. Jadi, perangkat kami memiliki toleransi fabrikasi yang besar.
Kedalaman modulasi dari kedua mode pada berbagai Ra (a) atau Rb (b)
Kesimpulan
Secara kesimpulan, kami menyajikan konsep dari modulator optik elektro-absorpsi mid-infrared berbasis grafen yang independen polarisasi dan lebar pita. Dalam struktur kami, lapis grafen ganda struktur U ditempatkan dalam gelombang kaca kalsedonida. Di bawah berbagai potensi kimia grafen, berbagai panjang gelombang, dan berbagai panjang jari-jari pendek, variasi EMI yang diinduksi oleh grafen untuk kedua mode TE dan TM dianalisis. Hasilnya menunjukkan bahwa mode TE dan TM memiliki variasi koefisien absorpsi yang hampir identik pada mid-infrared 2–2,4 μm, yang memenuhi persyaratan modulasi independen polarisasi. Berdasarkan struktur ini, modulator dengan panjang 200 μm memiliki kedalaman modulasi lebih dari 16 dB. Perbedaan kedalaman modulasi antara kedua mode adalah 0,24 dB, dan lebar pita modulasi teoritis dari perangkat mencapai hingga 136 GHz. Kami percaya bahwa modulator optoelektronik grafen mid-infrared independen polarisasi ini akan mempromosikan lebih lanjut penelitian modulator berbasis grafen pada pita inframerah tengah.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel yang diterbitkan ini.
