Modulador de electroabsorción de infrarrojo medio independiente de polarización basado en grafeno integrado en una guía de ondas de vidrio de calcogenuro

Resumen

Se presenta un modulador óptico de infrarrojo medio basado en grafeno insensible a la polarización que comprende SiO ₂ / Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ , en el que dos capas de grafeno están incrustadas con un diseño semielipse para soportar modos de polarización magnético transversal (TM) y eléctrico transversal (TE) con absorción idéntica. El índice de rendimiento clave para el modulador independiente de polarización es la pérdida de sensibilidad a la polarización (PSL). La guía de ondas de nuestro dispositivo solo admite los modos TE y TM básicos, y el PSL entre dos modos es de <0,24 dB. El modelo puede ofrecer una relación de extinción (ER) superior a 16 dB y una pérdida de inserción inferior a 1 dB. El espectro de funcionamiento varía de 2 a 2,4 μm con un ancho de banda óptico de 400 nm. El ancho de banda de modulación de 3 dB es tan alto como 136 GHz según cálculos teóricos.

Introducción

Las redes de comunicación de fibra óptica de longitud de onda del infrarrojo cercano se están convirtiendo en el núcleo de todas las redes de telecomunicaciones. Sin embargo, el infrarrojo medio también es una banda de ondas importante para la aplicación de dispositivos electroópticos en campos militares y civiles, como contramedidas infrarrojas, detección química, guía infrarroja, monitoreo ambiental, comunicación espacial, etc. Además, infrarrojo medio Los dispositivos electroópticos integrados, como fotodetectores y moduladores, también se desarrollan para ampliar la ventana de comunicación de 1,55 μm.

En los últimos años, se han descubierto materiales electroópticos funcionales 2D, como grafeno [1, 2, 3, 4], calcogenuro [5] y fósforo negro [6], que aceleraron el desarrollo de electroópticos integrados y rompió la limitación de rendimiento tradicional. Entre estos materiales, el grafeno se considera un material ideal para la realización de moduladores ópticos debido a algunas ventajas atractivas [7], como la absorción constante en un amplio espectro [8], la movilidad ultra alta del portador a temperatura ambiente [9], controlable eléctricamente conductividad y compatibilidad con el procesamiento CMOS. En consecuencia, el modulador óptico basado en grafeno se ha convertido en un tema de investigación candente. Sin embargo, de lejos, la banda de ondas de funcionamiento de la mayoría de los moduladores ópticos basados en grafeno informados es de alrededor de 1,31 μm o 1,55 μm [10,11,12,13]. El principio de modulación del infrarrojo cercano y del infrarrojo medio es el mismo, pero la longitud de onda de funcionamiento del modulador depende principalmente de las ventanas de transparencia de la guía de ondas. El punto clave para la realización de moduladores de infrarrojo medio basados en grafeno es la integración de grafeno y varios materiales de guía de ondas de infrarrojo medio. En 2017, Lin et al. [14] informó un modulador óptico de electroabsorción de infrarrojo medio basado en Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ -en-grafeno, que abrió el campo del modulador de infrarrojo medio basado en grafeno.

El grafeno como material electroóptico, también debemos considerar una de las características más importantes del dieléctrico anisotrópico [15], que ha sido probada experimentalmente en este artículo [16]. La permitividad en el plano es sintonizable, sin embargo, la permitividad en vertical es una constante de 2.5. Entonces, el grafeno solo puede interactuar fuertemente con el campo eléctrico en el plano [10], esa es la razón por la que los moduladores basados en grafeno reportados anteriormente tienen una fuerte dependencia de la polarización, en la que los moduladores solo pueden modular el modo de campo eléctrico en el plano [10] , 11,12,13]. Generalmente, el estado de polarización de la luz en la guía de ondas o la fibra es aleatorio. Para darse cuenta de la amplia aplicación comercial del modulador basado en grafeno, es necesario resolver el problema de la polarización dependiente.

En este trabajo, presentamos una nueva estructura de modulador electroóptico independiente de polarización de infrarrojo medio basado en grafeno, que tiene las ventajas de un gran ancho de banda de modulación y un amplio espectro de insensibilidad a la polarización. Usamos la estructura SOI y un Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ tira de vidrio incrustada en SiO ₂ revestimiento como núcleo de guía de ondas. En el Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ guía de onda, dos capas de grafeno tienen una distribución de tipo U (semielipse) y están aisladas por Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ vidrio. Dado que la capa de grafeno tiene una distribución de tipo U, los modos TE y TM pueden interactuar fuertemente con el grafeno. Al elegir correctamente los parámetros de estructura, podemos superar la dependencia de la polarización. Utilizando el método de elementos finitos (FEM), analizamos el índice de modo efectivo (EMI) y el coeficiente de absorción ( α ) de la U -dispositivo de estructura. El resultado muestra que las partes reales de EMI para TE ( N _te ) y TM ( N _tm ) los modos tienen las mismas fluctuaciones (con diferencia constante) en diferentes potenciales químicos ( μ _c ), y las partes imaginarias de los modos TE y TM tienen fluctuaciones casi idénticas e independientes de la longitud de onda en un amplio espectro. Al elegir correctamente los puntos de conmutación para los estados "ON" y "OFF", para los modos TE y TM, la profundidad de modulación es de más de 16 dB, el espectro de longitud de onda de operación es de 2 a 2,4 μm, el PSL es de menos de 0,24 dB, y el ancho de banda de modulación teórico de 3 dB es tan alto como 136 GHz.

Métodos

La ventana de transparencia de Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ el vidrio varía de 2 a 10 μm [17], que es un gran material para la fotónica del infrarrojo medio. Estudio previo dirigido por Lin et al. [14] ha demostrado su viabilidad para realizar Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ -Modulador de infrarrojo medio de grafeno. En este trabajo, también tomamos Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ vidrio como material de guía de ondas. La estructura geométrica de nuestro modulador propuesto se muestra en la Fig. 1, que se fabricó mediante un proceso de nanoimpresión térmica. Los detalles de los pasos del proceso se ilustran esquemáticamente en la Fig. 1. También puede consultar el papel [18] para obtener detalles para la preparación de sellos compuestos PDMS y Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solución de vidrio. Los detalles del tamaño geométrico y los materiales se presentan en la Fig. 2b.

A SiO ₂ Se hizo crecer una capa con un espesor h =0,8 μm sobre sustrato de Si, y luego se hizo una ranura con un ancho w =0,96 μm y una altura h =0,8 μm en SiO ₂ capa mediante el método de fotolitografía. Después de llenar Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solución y modelado por nanoimpresión térmica, un tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ se hizo el surco. Se pavimentó una capa de nitruro de boro hexagonal (hBN) de 10 nm de espesor en un área plana. Luego, primera capa de grafeno, 50 nm de espesor (recubrimiento por rotación) Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ El aislante y la segunda capa de grafeno se pavimentaron hasta el tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ ranura en orden. Finalmente, llenamos el tipo U Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ surco con Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ solución y revestimiento de hBN transferido y electrodo añadido. La estructura del electrodo es Au-Pd-grafeno, ya que la resistencia de contacto entre el grafeno y el Pd es inferior a 100 (Ω / μm) [19]. El ancho de la hoja de grafeno entre el electrodo y la guía de ondas es de 0,8 μm. La Figura 2c, d presenta la distribución del campo eléctrico para los modos TE (en el plano) y TM (plano vertical).

Cuando se aplica voltaje al grafeno, el potencial químico del grafeno μ _c está sintonizado dinámicamente. En nuestro modelo, el grafeno se trata como un material anisotrópico. La permitividad perpendicular ε _⊥ del grafeno no varía con el μ _c y siempre permanece como una constante de 2.5, mientras que la permitividad en el plano del grafeno ε _‖ se puede ajustar como [12].

$$ \ varepsilon _ {\ paralelo} \ left (\ omega \ right) =1 + \ frac {i \ delta} {{\ omega \ varepsilon_ {0} h_ {g}}} $$ (1)

El δ representa la conductividad del grafeno y se relaciona con el potencial químico μ _c , que se puede deducir de la fórmula de Kubo [20]. El ω representa la frecuencia en radianes y h _g =0,7 nm es el espesor efectivo del grafeno.

Hicimos un Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ guía de ondas de banda, en la que se incrustan dos capas planas de grafeno (inserto de la Fig. 3). La Figura 3 traza la parte real e imaginaria de EMI para los modos TE y TM a la longitud de onda de 2.2 μm. La EMI del modo TE cambió obviamente tanto para partes reales como imaginarias. Por el contrario, no se produjeron fluctuaciones significativas en la EMI del modo TM tanto para partes reales como imaginarias. La razón principal es que la polarización del modo TM es perpendicular al plano del grafeno y ε _‖ no es incompatible en potencial químico. En este trabajo, doblamos la capa de grafeno como diseño de tipo U para imponer la misma influencia en los modos TE y TM.

Resultados y discusión

Aunque se ha informado del modulador electroóptico independiente de polarización basado en grafeno [15,16,17,18,19,20,21], la independencia de polarización de estos dispositivos está estrechamente relacionada con la longitud de onda [22]. Por lo tanto, en nuestro modelo, se utiliza la estructura en U, en la que encontramos que la sensibilidad de la polarización de la guía de ondas es una correlación débil con la longitud de onda. La parte imaginaria de la EMI se conoce como electroabsorción. Como se muestra en la Fig. 3, la parte imaginaria de la EMI alcanza el pico a un potencial químico bajo alrededor de μ _c =0,1 eV. Por lo tanto, el μ _c =Se puede elegir un punto de 0,1 eV como punto de estado "APAGADO". Al mismo tiempo, la discrepancia de la parte imaginaria de la EMI entre los modos TE y TM es mayor en el punto de estado "APAGADO". Para obtener una menor discrepancia de absorción, solo necesitamos minimizar la discrepancia de absorción en el punto de estado "APAGADO". A una longitud de onda =2,2 μm y Ra =0,35 μm (tamaño del radio menor de la elipse que es el eje horizontal), barriendo el μ _c de 0,1 a 0,8 eV, bajo diferentes Rb (tamaño del radio mayor de la elipse que es el eje vertical), la influencia de μ variada _c en EMI para los modos TE y TM, como se muestra en la Fig. 4a. Es obvio que los valores de discrepancia entre los modos TE y TM disminuyen rápidamente a medida que se ajusta Rb de 0,35 a 0,55 μm. Indica que es posible alcanzar un PSL más bajo alrededor de Rb =0.55um. Por lo tanto, barriendo el parámetro Rb alrededor de 0.55 μm, encontramos que la discrepancia de absorción entre los modos TE y TM disminuye primero y luego aumenta con el aumento de Rb. En el punto Rb =0,565 μm, se puede obtener un valor mínimo.

Cuando Ra =0,35 μm, Rb =0,565 μm, longitud de onda =2,2 μm, se analizó la variación de EMI para los modos TE y TM con potencial químico. Como se muestra en la Fig. 5, la parte real de EMI tiene la misma tendencia de variación para los modos TE y TM con diferencia constante. Dado que el modulador se basa en el principio de electroabsorción, solo debemos preocuparnos por la parte imaginaria de EMI. Es más, bajo todas las μ _c valores, el α de TE y TM son casi idénticos. Es la propiedad que necesitamos para diseñar un modulador de electro-absorción independiente de la polarización. Un valor más alto y más bajo de α (proporcional a la parte imaginaria de EMI) se puede obtener en μ _c =0,1 eV y μ _c =0,8 eV, respectivamente (Fig. 5). Por lo tanto, el punto de μ _c =0,1 eV y μ _c =0.8 eV se puede elegir como punto de estado "APAGADO" y "ENCENDIDO".

La variación de α en función de la longitud de onda se presenta en la Fig. 6a, b. Puede verse en la Fig.6 que el α de los dos modos es muy idéntico al cambio de longitud de onda en el estado de absorción fuerte (estado "OFF"), y las diferencias entre los dos modos se han mantenido relativamente pequeñas. En el estado "ON", la discrepancia de α entre los modos TE y TM es del orden de 10 ^–4 . Para medir la discrepancia con mayor precisión y precisión entre dos modos, PSL se define como PSL =ER (TE) -ER (TM), donde ER es la relación de extinción. Medimos la profundidad de modulación del modulador en dos modos en función de la longitud de onda bajo la condición de una guía de onda de 200 μm de longitud. Como se muestra en la Fig.7, se puede ver en el diagrama que en un amplio rango de espectro de 2 a 2,4 μm, la profundidad de modulación de los dos modos es más de 16 dB y PSL es menos de 0,24 dB.

Para un modulador óptico, el ancho de banda de modulación de 3 dB f _3dB es siempre uno de los parámetros importantes por los que preocuparse. Dado que el grafeno tiene una movilidad de portadora ultra alta a temperatura ambiente, la velocidad de operación del modulador basado en grafeno ya no está limitada por la vida útil de la portadora minoritaria como lo están los moduladores de semiconductores tradicionales. La f _3dB de un modulador basado en grafeno se ve obstaculizado principalmente por el retardo RC, que puede expresarse como

$$ f _ {{3 \; {\ text {dB}}}} =\ frac {1} {2 \ pi RC} $$ (2)

La R es la resistencia total del dispositivo, incluida la resistencia de la lámina de grafeno Rs y la resistencia de contacto de metal-grafeno Rc, que se ha discutido detenidamente en trabajos anteriores [23] - [25]. La C es la capacitancia del modulador, que consiste principalmente en el capacitor que está formado por las dos escamas de grafeno. Aunque este condensador no es un modelo ideal de condensador de placas paralelas, para estimar preliminarmente la f _3dB , todavía usamos el modelo de condensador de placas paralelas para calcular el C . En nuestros cálculos, se utilizaron Rc =100 Ω / μm [19] y Rs =200 Ω / μm [26], y el ancho de superposición de dos escamas de grafeno es de aproximadamente 1,53 μm. El valor estimado de f _3dB es tan alto como 136 GHz. Además, en el futuro son posibles valores más bajos de Rs y Rc, lo que significa una f más alta _3dB se puede obtener.

Las simulaciones anteriores se basan en el diseño semielipse con Ra =0,35 μm y Rb =0,565 μm. Sin embargo, en la fabricación, este tamaño de radio exacto no siempre se puede garantizar. Por lo tanto, también hemos investigado la tolerancia de fabricación (Fig. 8). Cuando Ra varía de 0,345 a 0,355 μm (Fig. 8a), o Rb varía de 0,56 a 0,57 μm (Fig. 8b), el PSL entre dos modos sigue siendo inferior a 0,6 dB. Por lo tanto, nuestro dispositivo tiene una gran tolerancia de fabricación.

Conclusiones

En conclusión, presentamos el concepto de un modulador óptico de electroabsorción de infrarrojo medio basado en grafeno, independiente de la polarización de banda ancha. En nuestra estructura, se coloca un grafeno de doble capa con estructura en U en una guía de ondas de vidrio de calcogenuro. Bajo diferentes potenciales químicos de grafeno, diferentes longitudes de onda y diferentes longitudes de radio corto, se investigan las variaciones de EMI inducidas por grafeno para los modos TE y TM. Los resultados muestran que los modos TE y TM tienen una variación del coeficiente de absorción casi idéntica en el infrarrojo medio 2–2,4 μm, lo que cumple con el requisito de modulación independiente de la polarización. Basado en esta estructura, el modulador con una longitud de 200 μm tiene una profundidad de modulación de más de 16 dB. La diferencia de profundidad de modulación entre los dos modos es de 0,24 dB y el ancho de banda de modulación teórico del dispositivo es tan alto como 136 GHz. Creemos que este modulador electroóptico basado en grafeno independiente de la polarización del infrarrojo medio promoverá aún más el estudio del modulador basado en grafeno en las bandas del infrarrojo medio.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Abreviaturas

ER:: Tasa de extinción
TM:: Magnética transversal
TE:: Eléctrica transversal
PSL:: Pérdida de sensibilidad a la polarización
FEM:: Método de elementos finitos
EMI:: Índice de modo efectivo
hBN:: Nitruro de boro hexagonal

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