基于硫系玻璃波导的偏振无关中红外石墨烯电吸收调制器

摘要

本文提出了一种偏振不敏感的基于石墨烯的中红外光调制器，其结构为 SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀，其中两层石墨烯以半椭圆布局嵌入，可支持横磁（TM）和横电（TE）偏振模式，并实现相同的吸收特性。偏振无关调制器的关键性能指标为偏振敏感损耗（PSL）。该器件波导仅支持基阶 TE 和 TM 模式，两模式间的 PSL 小于 0.24 dB。该模型可提供超过 16 dB 的消光比（ER）和小于 1 dB 的插入损耗。工作光谱范围为 2–2.4 μm，光学带宽达 400 nm。理论计算显示，3 dB 调制带宽高达 136 GHz。

引言

近红外波长的光纤通信网络正成为整个电信网络的核心。然而，中红外波段在军事和民用领域的电光器件应用中同样重要，如红外对抗、化学传感、红外制导、环境监测、空间通信等。此外，中红外集成电光器件（如光电探测器和调制器）的发展也旨在拓展 1.55 μm 通信窗口。

近年来，二维功能电光材料的发现（如石墨烯 [1-4]、硫系化合物 [5]、黑磷 [6]）加速了集成电光器件的发展，打破了传统性能限制。其中，石墨烯因其独特优势被视为实现光调制器的理想材料 [7]：宽谱段恒定吸收 [8]、室温超高载流子迁移率 [9]、电控导电性及与 CMOS 工艺兼容。因此，基于石墨烯的光调制器成为研究热点。但目前大多数报道的石墨烯调制器工作波段集中在 1.31 μm 或 1.55 μm [10-13]。近红外与中红外调制原理相同，调制器工作波长主要取决于波导透明窗口。实现基于石墨烯的中红外调制器的关键在于石墨烯与各类中红外波导材料的集成。2017 年，Lin 等人 [14] 报道了基于 Ge₂₃Sb₇S₇₀-on-graphene 结构的中红外电吸收光调制器，开启了该领域研究。

石墨烯作为电光材料，其各向异性介电特性至关重要 [15]，已在文献 [16] 中实验验证。石墨烯面内介电常数可调，而垂直方向介电常数恒为 2.5。因此石墨烯仅与面内电场强相互作用 [10]，导致此前报道的调制器具有强偏振依赖性，仅能调制面内电场模式 [10-13]。由于波导或光纤中光的偏振态通常是随机的，要实现石墨烯调制器的广泛商业应用，必须解决偏振依赖问题。

本文提出一种新型基于石墨烯的中红外偏振无关电光调制器结构，具备大调制带宽和宽谱段偏振不敏感优势。采用 SOI 结构，以嵌入 SiO₂ 包层中的 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 玻璃条带为波导核心。在波导中，两层石墨烯呈 U 型（半椭圆）分布，并由 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 玻璃绝缘。得益于 U 型布局，TE 和 TM 模式均能与石墨烯强相互作用。通过优化结构参数，可有效克服偏振依赖。采用有限元法（FEM）分析了 U 结构器件的有效模式指数（EMI）和吸收系数（α）。结果显示：在不同化学势（μc）下，TE（N_te）和 TM（N_tm）模式 EMI 实部呈相同波动趋势（恒定差值），虚部在宽光谱范围内几乎完全重合且与波长无关。通过合理选择“开/关”态切换点，两模式均可实现 >16 dB 调制深度、2–2.4 μm 工作波段、<0.24 dB PSL，理论 3 dB 调制带宽达 136 GHz。

方法

Ge₂₃Sb₇S₇₀ 玻璃透明窗口为 2–10 μm [17]，是中红外光子学的优质材料。Lin 等人 [14] 已验证其制备 Ge₂₃Sb₇S₇₀-graphene 中红外调制器的可行性。本文同样采用该材料作为波导。图 1 展示了调制器几何结构及热纳米压印制造工艺流程。PDMS 复合模具制备和 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 玻璃溶液配制详见文献 [18]。图 2b 给出了几何尺寸和材料细节。

在 Si 基底上生长 0.8 μm 厚 SiO₂ 层，光刻制作宽 0.96 μm、高 0.8 μm 的槽槽，填充 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 溶液经热纳米压印形成 U 型沟槽。平坦区域铺设 10 nm 厚六方氮化硼（hBN），依次转移第一层石墨烯、50 nm 厚 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 绝缘层（旋涂）、第二层石墨烯。最后填充 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 溶液，转移 hBN 包层并添加电极。电极采用 Au–Pd–graphene 结构，因石墨烯与 Pd 接触电阻 <100 Ω/μm [19]。电极与波导间石墨烯宽度为 0.8 μm。图 2c、d 给出了 TE（面内）和 TM（垂直面）模式的电场分布。

施加电压可动态调节石墨烯化学势 μc。模型中石墨烯视为各向异性材料：垂直介电常数 ε⊥ 恒为 2.5，不随 μc 变化；面内介电常数 ε∥ 可调 [12]：

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

其中 δ 为石墨烯电导率，与 μc 相关，可由 Kubo 公式 [20] 推导；ω 为角频率；hg=0.7 nm 为石墨烯有效厚度。

我们制作了嵌入两层平直石墨烯的 Ge₂₃Sb₇S₇₀ 条带波导（图 3 插图）。图 3 绘制了 2.2 μm 波长下 TE 和 TM 模式 EMI 实部与虚部随 μc 变化曲线。TE 模式 EMI 实部虚部均显著变化；TM 模式两部分均无显著波动。主因在于 TM 模式偏振垂直于石墨烯平面，ε∥ 不随化学势调节。本文通过将石墨烯弯曲为 U 型布局，使其对两模式施加等效影响。

结果与讨论

尽管已有基于石墨烯的偏振无关电光调制器报道 [15-21]，但其偏振无关性通常与波长强相关 [22]。本文采用 U 结构，发现波导偏振灵敏度与波长弱相关。EMI 虚部即电吸收。如图 3 所示，低化学势 μc=0.1 eV 处虚部达峰值，可选为“关”态。此时 TE/TM 模式虚部差异最大。为降低吸收差异，需最小化“关”态下的差异。在 λ=2.2 μm、Ra=0.35 μm（椭圆短轴）条件下，扫描 μc（0.1–0.8 eV）并变化 Rb（椭圆长轴），分析其对两模式 EMI 的影响（图 4a）。Rb 从 0.35 增至 0.55 μm 时，两模式差异迅速减小，表明 Rb≈0.55 μm 可达低 PSL。进一步精细扫描 Rb 发现：吸收差异随 Rb 增加先减后增，在 Rb=0.565 μm 处取得最小值。

当 Ra=0.35 μm、Rb=0.565 μm、λ=2.2 μm 时，分析两模式 EMI 随 μc 变化（图 5）。EMI 实部对两模式呈相同变化趋势（恒定差值）。基于电吸收原理，仅需关注虚部。在所有 μc 下，两模式 α 几乎完全重合，正是设计偏振无关电吸收调制器所需特性。α 在 μc=0.1 eV 处最高、μc=0.8 eV 处最低（图 5），故选这两点为“关”和“开”态。

图 6 展示 α 随波长变化。在“关”态（强吸收），两模式 α 随波长变化极其一致，差异保持极小；“开”态下差异为 10⁻⁴ 量级。为量化差异，定义 PSL = ER(TE) - ER(TM)。在 200 μm 长波导条件下测量两模式调制深度随波长变化（图 7）。在 2–2.4 μm 宽波段内，两模式调制深度均 >16 dB，PSL <0.24 dB。

3 dB 调制带宽 f₃dB 是光调制器关键参数。石墨烯室温超高载流子迁移率使其调制速度不再受少数载流子寿命限制，主要受 RC 延迟制约：

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

R 包含石墨烯片电阻 Rs 和金属-石墨烯接触电阻 Rc [23-25]；C 主要为两石墨烯片形成的电容。虽非理想平板电容，但为估算 f₃dB 仍采用平板模型。取 Rc=100 Ω/μm [19]、Rs=200 Ω/μm [26]，两石墨烯重叠宽度约 1.53 μm，估算 f₃dB 高达 136 GHz。未来若降低 Rs 和 Rc，带宽可进一步提升。

上述仿真基于 Ra=0.35 μm、Rb=0.565 μm 的半椭圆结构。考虑制造公差，我们研究了参数变化影响（图 8）。Ra 在 0.345–0.355 μm（图 8a）或 Rb 在 0.56–0.57 μm（图 8b）变化时，PSL 仍 <0.6 dB，显示器件具有较大工艺容差。

结论

本文提出了一种宽带偏振无关的基于石墨烯的中红外电吸收光调制器概念。采用 U 型双层石墨烯嵌入硫系玻璃波导。研究了不同化学势、波长、短轴长度下 TE/TM 模式 EMI 变化。结果显示：在中红外 2–2.4 μm 波段，两模式吸收系数变化近乎相同，满足偏振无关调制要求。200 μm 长器件实现 >16 dB 调制深度，模式间差异 0.24 dB，理论调制带宽达 136 GHz。该器件将进一步推动石墨烯基中红外调制器研究。

数据与材料可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在已发表文章中。

缩略语

ER:

消光比

TM:

横磁模式

TE:

横电模式

PSL:

偏振敏感损耗

FEM:

有限元法

EMI:

有效模式指数

hBN:

六方氮化硼