集成在硫属化物玻璃波导中的基于石墨烯的偏振无关中红外电吸收调制器

介绍

近红外波长光纤通信网络正在成为整个电信网络的核心。但是，中红外也是电光器件在红外对抗、化学传感、红外制导、环境监测、空间通信等军事和民用领域应用的重要波段。还开发了光电探测器和调制器等集成电光器件，以扩展1.55 μm通信窗口。

近年来，石墨烯[1,2,3,4]、硫族化物[5]、黑磷[6]等二维功能性电光材料的发现，加速了集成电光和电光的发展。打破了传统的性能限制。在这些材料中，石墨烯被认为是实现光调制器的理想材料 [7]，例如在宽光谱上的恒定吸收 [8]、室温下超高的载流子迁移率 [9]、电可控导电性和与 CMOS 处理的兼容性。因此，基于石墨烯的光调制器已成为一个热门的研究课题。然而，到目前为止，大多数报道的基于石墨烯的光调制器的工作波段约为 1.31 μm 或 1.55 μm [10,11,12,13]。近红外和中红外的调制原理相同，但调制器的工作波长主要取决于波导透明窗。石墨烯基中红外调制器实现的关键是石墨烯与各种中红外波导材料的集成。 2017 年，Lin 等人。 [14] 报道了一种基于Ge23Sb7S70-on-graphene结构的中红外电吸收光调制器，开启了石墨烯基中红外调制器的研究领域。

石墨烯作为电光材料，我们还需要考虑各向异性电介质最重要的特性之一[15]，这在本文[16]中已经得到了实验证明。平面介电常数可调，垂直介电常数为2.5。因此，石墨烯只能与面内电场强烈相互作用[10]，这就是之前报道的基于石墨烯的调制器具有强极化依赖性的原因，其中调制器只能调制面内电场模式[10] ,11,12,13]。通常，光在波导或光纤中的偏振态是随机的。要实现石墨烯基调制器的广泛商业应用，需要解决偏振相关问题。

在这项工作中，我们提出了一种基于石墨烯的中红外偏振无关电光调制器的新结构，该调制器具有调制带宽大和偏振不敏感光谱宽的优点。我们使用 SOI 结构和嵌入在 SiO2 包层中的 Ge23Sb7S70 玻璃条作为波导芯。在 Ge23Sb7S70 波导中，两个石墨烯层呈 U（半椭圆）型分布，并由 Ge23Sb7S70 玻璃绝缘。由于石墨烯层是 U 型分布，TE 和 TM 模式都可以与石墨烯强烈相互作用。 By proper choosing structure parameters, we can well overcome the polarization dependence.使用有限元法 (FEM)，我们分析了有效模式指数 (EMI) 和吸收系数 (α ) 的 U -结构装置。结果表明，TE (N te) 和 TM (N tm) 模式在不同的化学势 (μ c)，并且 TE 和 TM 模式的虚部在很宽的光谱范围内具有几乎相同的波动和波长独立。 By proper choosing of switching points for “ON” and “OFF” states, for both TE and TM modes, the modulation depth is more than 16 dB, the operation wavelength spectrum is 2–2.4 μm, the PSL is less than 0.24 dB,理论3dB调制带宽高达136GHz。

方法

Ge23Sb7S70 玻璃的透明窗口范围为 2 至 10 μm [17]，是中红外光子学的绝佳材料。先前由 Lin 等人领导的研究。 [14]证明了实现Ge23Sb7S70-石墨烯中红外调制器的可行性。在这项工作中，我们也采用 Ge23Sb7S70 玻璃作为波导材料。我们提出的调制器的几何结构如图 1 所示，它是使用热纳米压印工艺制造的。工艺步骤的详细信息如图 1 所示。您还可以参考论文 [18] 以获取有关制备 PDMS 复合印章和 Ge23Sb7S70 玻璃溶液的详细信息。几何尺寸和材料的详细信息如图 2b 所示。

Ge23Sb7S70集成石墨烯调制器工艺流程示意图

偏振无关电吸收光调制器的图示。 一 调制器的3D示意图； b U 型结构 Ge23Sb7S70-石墨烯波导的二维横截面，两个石墨烯层之间的距离 d =50 nm，波导宽度w =0.96 μm，高度h =0.8μm。 TE 模式的电场分布 (c ) 和 TM 模式 (d )，箭头表示极化方向

在Si衬底上生长厚度为h =0.8 μm的SiO2层，然后采用光刻法在SiO2层上制作宽度w =0.96 μm、高度h =0.8 μm的凹槽。在填充 Ge23Sb7S70 溶液并通过热纳米压印图案化后，制成 U 型 Ge23Sb7S70 凹槽。在平坦区域铺设 10 纳米厚的六方氮化硼 (hBN) 层。然后，将第一石墨烯层、50nm厚（旋涂）Ge23Sb7S70绝缘体和第二石墨烯层依次铺在U型Ge23Sb7S70凹槽上。最后，我们用 Ge23Sb7S70 溶液填充 U 型 Ge23Sb7S70 凹槽并转移 hBN 包层并添加电极。电极结构是 Au-Pd-石墨烯，因为石墨烯和 Pd 之间的接触电阻小于 100(Ω/μm) [19]。电极和波导之间的石墨烯片宽度为 0.8 μm。图 2c、d 显示了 TE（面内）和 TM（垂直面）模式的电场分布。

当电压施加到石墨烯上时，石墨烯的化学势μ c 是动态调整的。在我们的模型中，石墨烯被视为各向异性材料。垂直介电常数ε ⊥ 的石墨烯不随 μ c 并且始终保持为常数 2.5，而石墨烯的面内介电常数 ε ‖可以调整为[12]。

δ 代表石墨烯的电导率，与化学势μ有关 c，可以从久保公式[20]推导出来。 ω 表示弧度频率，h g =0.7 nm 为石墨烯的有效厚度。

我们制作了一个 Ge23Sb7S70 条形波导，其中嵌入了两个平面石墨烯层（图 3 插入）。图 3 绘制了 TE 和 TM 模式在 2.2 μm 波长处的 EMI 实部和虚部。 TE 模式的 EMI 对实部和虚部都有明显的变化。相反，实部和虚部的 TM 模式的 EMI 没有发生显着波动。主要原因是TM模式偏振垂直于石墨烯平面和ε ‖ 在化学势方面是不可调的。在这项工作中，我们将石墨烯层弯曲为 U 型布局，以对 TE 和 TM 模式施加相同的影响。

石墨烯直接铺在 Ge23Sb7S70 条形波导中。 TE和TM模式在2.2 μm波长处EMI的实部和虚部

结果与讨论

尽管已经报道了基于石墨烯的偏振无关电光调制器 [15,16,17,18,19,20,21]，但这些器件的偏振无关性与波长密切相关 [22]。因此，在我们的模型中，使用了 U 结构，其中我们发现波导偏振的灵敏度与波长的相关性很弱。 EMI 的虚部称为电吸收。如图 3 所示，EMI 的虚部在 μ 附近的低化学势处达到峰值 c =0.1 eV。因此，μ c =0.1 eV 点可以选择为“OFF”状态点。同时，TE 和 TM 模式之间 EMI 虚部的差异在“OFF”状态点最大。为了获得更低的吸收差异，我们只需要最小化“OFF”状态点的吸收差异。在波长 =2.2 μm和Ra =0.35 μm（水平轴的椭圆的短半径的大小）处，通过扫描μ c 从 0.1 到 0.8 eV，在不同 Rb（纵轴椭圆长半径大小）下，变化 μ 的影响 分析了 TE 和 TM 模式的 EMI，如图 4a 所示。很明显，随着 Rb 从 0.35 调整到 0.55 μm，TE 和 TM 模式之间的差异值迅速减小。这表明在 Rb =0.55um 附近有可能达到较低的 PSL。因此，在 0.55 μm 附近扫描参数 Rb，我们发现 TE 和 TM 模式之间的吸收差异随着 Rb 的增加而先减小后增大。在Rb =0.565 μm处，可以得到一个最小值。

一 作为 μ 函数的 TE 和 TM 模式的吸收系数 c在不同的Rb下，（波长 =2.2 μm，Ra =0.35 μm）； b TE 和 TM 模式的吸收系数作为 Rb 的函数（Ra =0.35 μm，波长 =2.2 μm，μ c =0.1 eV)

当Ra =0.35 μm，Rb =0.565 μm，波长 =2.2 μm时，分析了TE和TM模式的EMI随化学势的变化。如图 5 所示，对于 TE 和 TM 模式，EMI 的实部具有相同的变化趋势，并且具有恒定的差异。由于调制器基于电吸收原理，我们只需要关心 EMI 的虚部。更何况，在所有μ c 值，α TE 和 TM 几乎相同。这是我们设计偏振无关电吸收调制器所需要的特性。 α 的最高值和最低值 （与 EMI 的虚部成正比）可以在 μ 处获得 c =0.1 eV 和 μ 分别为 c =0.8 eV（图 5）。因此，μ 的点 c =0.1 eV 和 μ 可选择c =0.8 eV作为“OFF”和“ON”状态点。

作为化学势函数的 TE 和 TM 模式 EMI 实部和虚部的说明

α的变化 作为波长的函数示于图 6a、b。从图 6 可以看出，α 两种模式的波长变化与强吸收状态（“OFF”状态）下的波长变化非常一致，并且两种模式之间的差异保持相对较小。在“ON”状态下，TE和TM模式之间的α差异在10 ^–4 的数量级 .为了进一步准确地测量两种模式之间的差异，将 PSL 定义为 PSL =ER(TE)-ER(TM)，其中 ER 是消光比。我们在 200 μm 长波导条件下测量了两种模式下调制器的调制深度与波长的函数关系。如图7所示，从图中可以看出，在2-2.4 μm的宽频谱范围内，两种模式的调制深度大于16 dB，PSL小于0.24 dB。

吸收系数 (α ) 的 TE 和 TM 在“关”状态 (a ) 和“ON”状态 (b )

两种模式的调制深度和不同波长下两种模式之间的PSL（线ER(TE-TM)）

对于光调制器，3 dB 调制带宽 f 3dB 一直是需要关注的重要参数之一。由于石墨烯在室温下具有超高的载流子迁移率，因此基于石墨烯的调制器的运行速度不再像传统半导体调制器那样受到少数载流子寿命的限制。 f 基于石墨烯的调制器的 3dB 主要受 RC 延迟的阻碍，可以表示为

R 是器件的总电阻，包括石墨烯薄层电阻 Rs 和金属-石墨烯接触电阻 Rc，这在之前的工作中已经详细讨论过 [23]-[25]。 C 是调制器的电容，主要由两片石墨烯薄片构成的电容组成。虽然该电容器不是理想的平行板电容器模型，但为了初步估计 f 3dB，我们仍然使用平行板电容器模型来计算C .在我们的计算中，使用了 Rc =100 Ω/μm [19] 和 Rs =200 Ω/μm [26]，并且两个石墨烯薄片的重叠宽度约为 1.53 μm。估计的 f3dB 高达 136 GHz。此外，Rs 和 Rc 的值在未来可能会更低，这意味着 f 可以获得3dB。

上述模拟基于半椭圆布局，其中 Ra =0.35 μm 和 Rb =0.565 μm。然而，在制造过程中，不能总是保证这个精确的半径尺寸。因此，我们还研究了制造公差（图 8）。当 Ra 从 0.345 变化到 0.355 μm（图 8a），或 Rb 从 0.56 到 0.57 μm（图 8b）变化时，两种模式之间的 PSL 仍然低于 0.6 dB。因此，我们的器件具有较大的制造公差。

两种模式在不同 Ra (a ) 或 Rb (b )

结论

总之，我们提出了一种基于宽带偏振独立石墨烯的中红外电吸收光调制器的概念。在我们的结构中，U 型结构的双层石墨烯被放置在硫属化物玻璃波导中。在不同的石墨烯化学势、不同的波长和不同的短半径长度下，研究了石墨烯引起的 TE 和 TM 模式的 EMI 变化。结果表明，TE 和 TM 模式在中红外 2-2.4 μm 范围内具有几乎相同的吸收系数变化，满足偏振无关调制的要求。基于这种结构，长度为200μm的调制器的调制深度超过16dB。两种模式的调制深度差为0.24 dB，器件的理论调制带宽高达136 GHz。相信这种中红外偏振无关石墨烯基电光调制器将进一步推动中红外波段石墨烯基调制器的研究。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

ER：

消光比

TM：

横磁

TE：

横向电动

PSL：

偏振灵敏度损失

有限元：

有限元法

EMI：

有效模式指标

hBN：

六方氮化硼