Modulador electro-absortivo de grafeno en el infrarrojo medio independiente de la polarización sobre guía de onda de vidrio calcogenuro

Resumen

Se presenta un modulador óptico basado en grafeno insensible a la polarización en el infrarrojo medio, compuesto por SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀, en el que se insertan dos capas de grafeno con una disposición semi-elíptica para soportar los modos de polarización magnética transversal (TM) y eléctrica transversal (TE) con absorción idéntica. El índice clave de rendimiento para el modulador independiente de la polarización es la pérdida de sensibilidad a la polarización (PSL). La guía de onda del dispositivo solo soporta los modos TE y TM básicos, y la PSL entre ambos modos es < 0,24 dB. El modelo ofrece una relación de extinción (ER) superior a 16 dB y una pérdida de inserción inferior a 1 dB. El espectro de operación abarca de 2 a 2,4 μm con un ancho de banda óptico de 400 nm. El ancho de banda de modulación a 3 dB alcanza los 136 GHz según cálculos teóricos.

Introducción

Las redes de comunicación por fibra óptica en el infrarrojo cercano se están convirtiendo en el núcleo de las redes de telecomunicaciones globales. Sin embargo, el infrarrojo medio también es una banda de onda importante para la aplicación de dispositivos electro-ópticos en ámbitos militares y civiles, como contramedidas infrarrojas, detección química, guiado infrarrojo, monitorización ambiental, comunicaciones espaciales, etc. Además, los dispositivos electro-ópticos integrados en el infrarrojo medio, como fotodetectores y moduladores, también se desarrollan para ampliar la ventana de comunicaciones a 1,55 μm.

En los últimos años, se han descubierto materiales electro-ópticos 2D funcionales, como el grafeno [1,2,3,4], los calcogenuros [5] y el fósforo negro [6], lo que ha acelerado el desarrollo de la electro-óptica integrada y ha roto las limitaciones tradicionales de rendimiento. Entre estos materiales, el grafeno se considera ideal para realizar moduladores ópticos debido a ventajas atractivas [7], como absorción constante en un amplio espectro [8], movilidad de portadores ultra-alta a temperatura ambiente [9], conductividad controlable eléctricamente y compatibilidad con procesamiento CMOS. Por consiguiente, los moduladores ópticos basados en grafeno se han convertido en un tema de investigación candente. Sin embargo, hasta ahora, la banda de operación de la mayoría de los moduladores ópticos basados en grafeno reportados se sitúa alrededor de 1,31 μm o 1,55 μm [10,11,12,13]. El principio de modulación en el infrarrojo cercano y medio es el mismo, pero la longitud de onda de operación del modulador depende principalmente de las ventanas de transparencia de la guía de onda. El punto clave para la realización de moduladores de infrarrojo medio basados en grafeno es la integración del grafeno con diversos materiales de guía de onda de infrarrojo medio. En 2017, Lin et al. [14] reportaron un modulador electro-absortivo de infrarrojo medio basado en estructura Ge₂₃Sb₇S₇₀-sobre-grafeno, que abrió el campo de los moduladores de infrarrojo medio basados en grafeno.

El grafeno como material electro-óptico también requiere considerar una de las características más importantes de los dieléctricos anisotrópicos [15], lo que se ha probado experimentalmente en este artículo [16]. La permitividad en el plano es ajustable, mientras que la permitividad en vertical es una constante de 2,5. Por tanto, el grafeno solo puede interactuar fuertemente con el campo eléctrico en el plano [10], razón por la cual los moduladores basados en grafeno reportados anteriormente tienen una fuerte dependencia de la polarización, pudiendo modular solo el modo de campo eléctrico en el plano [10,11,12,13]. Generalmente, el estado de polarización de la luz en guía de onda o fibra es aleatorio. Para lograr la amplia aplicación comercial de los moduladores basados en grafeno, es necesario resolver el problema de la dependencia de la polarización.

En este trabajo, presentamos una nueva estructura de modulador electro-óptico de infrarrojo medio basado en grafeno e independiente de la polarización, que tiene las ventajas de gran ancho de banda de modulación y amplio espectro de insensibilidad a la polarización. Utilizamos la estructura SOI y una tira de vidrio Ge₂₃Sb₇S₇₀ incrustada en revestimiento de SiO₂ como núcleo de guía de onda. En la guía de onda de Ge₂₃Sb₇S₇₀, dos capas de grafeno se distribuyen en forma de U (semi-elíptica) y están aisladas por vidrio Ge₂₃Sb₇S₇₀. Dado que la capa de grafeno tiene distribución en U, tanto los modos TE como TM pueden interactuar fuertemente con el grafeno. Mediante la elección adecuada de parámetros estructurales, se puede superar eficazmente la dependencia de la polarización. Usando el método de elementos finitos (FEM), analizamos el índice de modo efectivo (EMI) y el coeficiente de absorción (α) del dispositivo con estructura U. Los resultados muestran que las partes reales del EMI para los modos TE (N_te) y TM (N_tm) tienen las mismas fluctuaciones (con diferencia constante) en diferentes potenciales químicos (μ_c), y las partes imaginarias de ambos modos TE y TM tienen fluctuaciones casi idénticas e independientes de la longitud de onda en un amplio espectro. Al elegir adecuadamente los puntos de conmutación para los estados "ON" y "OFF", para ambos modos TE y TM, la profundidad de modulación supera los 16 dB, el espectro de longitud de onda de operación es 2–2,4 μm, la PSL es inferior a 0,24 dB, y el ancho de banda teórico de modulación a 3 dB alcanza los 136 GHz.

Métodos

La ventana de transparencia del vidrio Ge₂₃Sb₇S₇₀ abarca de 2 a 10 μm [17], siendo un excelente material para fotónica de infrarrojo medio. Un estudio previo liderado por Lin et al. [14] demostró su factibilidad para realizar un modulador de infrarrojo medio Ge₂₃Sb₇S₇₀-grafeno. En este trabajo, también tomamos el vidrio Ge₂₃Sb₇S₇₀ como material de guía de onda. La estructura geométrica de nuestro modulador propuesto se muestra en la Fig. 1, fabricada mediante un proceso de nanoimpresión térmica. Los detalles de los pasos del proceso se ilustran esquemáticamente en la Fig. 1. También puede consultarse el artículo [18] para obtener detalles sobre la preparación de sellos compuestos de PDMS y solución de vidrio Ge₂₃Sb₇S₇₀. Los detalles del tamaño geométrico y materiales se presentan en la Fig. 2b.

Se creció una capa de SiO₂ con espesor h = 0,8 μm sobre sustrato de Si, y luego se realizó un surco con ancho w = 0,96 μm y altura h = 0,8 μm en la capa de SiO₂ mediante fotolitografía. Tras rellenar con solución de Ge₂₃Sb₇S₇₀ y patrón por nanoimpresión térmica, se formó un surco de Ge₂₃Sb₇S₇₀ tipo U. Se depositó una capa de nitruro de boro hexagonal (hBN) de 10 nm en la zona plana. Luego, la primera capa de grafeno, 50 nm de espesor (spin-coating) de aislante Ge₂₃Sb₇S₇₀ y la segunda capa de grafeno se depositaron en orden en el surco de Ge₂₃Sb₇S₇₀ tipo U. Finalmente, se rellenó el surco tipo U con solución de Ge₂₃Sb₇S₇₀, se transfirió revestimiento de hBN y se añadió electrodo. La estructura del electrodo es Au–Pd-grafeno, ya que la resistencia de contacto entre grafeno y Pd es inferior a 100(Ω/μm) [19]. El ancho de la lámina de grafeno entre electrodo y guía de onda es 0,8 μm. La Fig. 2c, d presenta la distribución del campo eléctrico para ambos modos TE (en el plano) y TM (vertical).

Cuando se aplica voltaje al grafeno, el potencial químico μ_c del grafeno se ajusta dinámicamente. En nuestro modelo, el grafeno se trata como material anisotrópico. La permitividad perpendicular ε_⊥ del grafeno no varía con μ_c y permanece constante en 2,5, mientras que la permitividad en el plano ε_‖ puede ajustarse como [12].

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

El δ representa la conductividad del grafeno y se relaciona con el potencial químico μ_c, deducible de la fórmula de Kubo [20]. ω representa la frecuencia angular, y h_g = 0,7 nm es el espesor efectivo del grafeno.

Fabricamos una guía de onda de tira de Ge₂₃Sb₇S₇₀ en la que se incrustaron dos capas de grafeno planas (Fig. 3 insert). La Fig. 3 muestra las partes real e imaginaria del EMI para ambos modos TE y TM a la longitud de onda de 2,2 μm. El EMI del modo TE cambió notablemente tanto en parte real como imaginaria. Por el contrario, no ocurrieron fluctuaciones significativas en el EMI del modo TM para ambas partes. La razón principal es que la polarización del modo TM es perpendicular al plano del grafeno y ε_‖ no es ajustable en potencial químico. En este trabajo, doblamos la capa de grafeno como disposición tipo U para imponer influencia igual en ambos modos TE y TM.

Resultados y Discusión

Aunque se ha reportado modulador electro-óptico independiente de la 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 tanto, en nuestro modelo se usa la estructura U, en la que encontramos que la sensibilidad de la polarización de la guía de onda tiene débil correlación con la longitud de onda. La parte imaginaria del EMI se conoce como electro-absorción. Como se muestra en la Fig. 3, la parte imaginaria del EMI alcanza su pico a bajo potencial químico alrededor de μ_c = 0,1 eV. Así, el punto μ_c = 0,1 eV puede elegirse como punto de estado "OFF". Al mismo tiempo, la discrepancia de la parte imaginaria del EMI entre modos TE y TM es máxima en el punto de estado "OFF". Para obtener menor discrepancia de absorción, solo necesitamos minimizar la discrepancia de absorción en el punto de estado "OFF". A longitud de onda = 2,2 μm y Ra = 0,35 μm (tamaño del radio menor de la elipse que es el eje horizontal), al variar μ_c de 0,1 a 0,8 eV, bajo diferentes Rb (tamaño del radio mayor de la elipse que es el eje vertical), se analiza la influencia de μ_c variable en el EMI para ambos 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 al ajustar Rb de 0,35 a 0,55 μm. Indica que es posible alcanzar menor PSL alrededor de Rb = 0,55 μm. Por tanto, variando el parámetro Rb alrededor de 0,55 μm, encontramos que la discrepancia de absorción entre modos TE y TM disminuye primero y luego aumenta con el aumento de Rb. En el punto Rb = 0,565 μm, se obtiene un valor mínimo.

Cuando Ra = 0,35 μm, Rb = 0,565 μm, longitud de onda = 2,2 μm, se analizó la variación del EMI para ambos modos TE y TM con el potencial químico. Como se muestra en la Fig. 5, la parte real del EMI tiene la misma tendencia de variación para modos TE y TM con diferencia constante. Dado que el modulador se basa en el principio de electro-absorción, solo necesitamos preocuparnos por la parte imaginaria del EMI. Además, bajo todos los valores de μ_c, el α de ambos TE y TM son casi idénticos. Es la propiedad que necesitamos para diseñar un modulador electro-absortivo independiente de la polarización. Se pueden obtener el valor más alto y más bajo de α (proporcional a la parte imaginaria del EMI) en μ_c = 0,1 eV y μ_c = 0,8 eV, respectivamente (Fig. 5). Así, los puntos μ_c = 0,1 eV y μ_c = 0,8 eV pueden elegirse como puntos de estado "OFF" y "ON".

La variación de α en función de la longitud de onda se presenta en la Fig. 6a, b. Se observa en la Fig. 6 que el α de los dos modos es muy idéntico con el cambio de longitud de onda en el estado de absorción fuerte ("OFF"), y las diferencias entre los dos modos se han mantenido relativamente pequeñas. En el estado "ON", la discrepancia de α entre modos TE y TM está en el orden de 10^–4. Para medir la discrepancia con mayor precisión entre los dos modos, se define PSL 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 condición de guía de onda de 200 μm de largo. Como se muestra en la Fig. 7, se ve en el diagrama que en un amplio rango espectral de 2–2,4 μm, la profundidad de modulación de los dos modos supera los 16 dB, y la PSL es inferior a 0,24 dB.

Para un modulador óptico, el ancho de banda de modulación a 3 dB f_3dB es siempre uno de los parámetros importantes. Dado que el grafeno tiene movilidad de portadores ultra-alta a temperatura ambiente, la velocidad de operación del modulador basado en grafeno ya no está limitada por la vida media de portadores minoritarios como en los moduladores semiconductores tradicionales. El f_3dB de un modulador basado en grafeno está impedido principalmente por el retardo RC, que puede expresarse como

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

R es la resistencia total del dispositivo, incluyendo la resistencia de lámina de grafeno Rs y la resistencia de contacto metal-grafeno Rc, que se ha discutido cuidadosamente en trabajos previos [23]-[25]. C es la capacitancia del modulador, que consiste principalmente en el capacitor formado por las dos láminas de grafeno. Aunque este capacitor no es un modelo ideal de capacitor de placas paralelas, para estimar preliminarmente f_3dB, seguimos usando el modelo de capacitor de placas paralelas para calcular C. En nuestros cálculos, se usaron Rc = 100 Ω/μm [19] y Rs = 200 Ω/μm [26], y el ancho de solapamiento de las dos láminas de grafeno es aproximadamente 1,53 μm. El f_3dB estimado alcanza los 136 GHz. Además, valores más bajos de Rs y Rc son posibles en el futuro, lo que significa que se pueden obtener f_3dB más altos.

Las simulaciones anteriores se basan en la disposición semi-elíptica con Ra = 0,35 μm y Rb = 0,565 μm. Sin embargo, en la fabricación, no siempre se puede garantizar este tamaño exacto de radio. Por tanto, también investigamos 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), la PSL entre los dos modos sigue siendo inferior a 0,6 dB. Por tanto, nuestro dispositivo tiene gran tolerancia de fabricación.

Conclusiones

En conclusión, presentamos el concepto de un modulador óptico electro-absortivo de infrarrojo medio basado en grafeno, de banda ancha e independiente de la polarización. En nuestra estructura, un grafeno de doble capa con estructura U se coloca en guía de onda de vidrio 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 ambos modos TE y TM. Los resultados muestran que los modos TE y TM tienen variación casi idéntica del coeficiente de absorción en el infrarrojo medio 2–2,4 μm, cumpliendo el requisito de modulación independiente de la polarización. Basado en esta estructura, el modulador con longitud de 200 μm tiene profundidad de modulación superior a 16 dB. La diferencia de profundidad de modulación entre los dos modos es 0,24 dB, y el ancho de banda teórico de modulación del dispositivo alcanza los 136 GHz. Creemos que este modulador electro-óptico de infrarrojo medio basado en grafeno e independiente de la polarización promoverá aún más el estudio de los moduladores basados en grafeno en bandas de infrarrojo medio.