Polarisationsunabhängiger Mid-IR Graphen-Elektroabsorptionsmodulator auf Chalkogenid-Glas-Wellenleiter

Zusammenfassung

Ein polarisationsunempfindlicher, graphenbasierter Mid-Infrarot-Optikmodulator wird vorgestellt, der aus SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀ besteht. In dieser Struktur sind zwei Graphenschichten in einer Halbellipsen-Anordnung eingebettet, um transversale magnetische (TM) und transversale elektrische (TE) Polarisationsmodi mit identischer Absorption zu unterstützen. Der Schlüsselkennwert für den polarisationsunabhängigen Modulator ist der polarisationsempfindliche Verlust (PSL). Der Wellenleiter des Geräts unterstützt nur die grundlegenden TE- und TM-Moden, und der PSL zwischen den beiden Modi beträgt < 0,24 dB. Das Modell bietet ein Auslöschungsverhältnis (ER) von mehr als 16 dB und einen Einfügungsverlust von weniger als 1 dB. Das Betriebsspektrum reicht von 2 bis 2,4 μm mit einer optischen Bandbreite von 400 nm. Die 3-dB-Modulationsbandbreite beträgt basierend auf theoretischen Berechnungen bis zu 136 GHz.

Einleitung

Nahinfrarot-Wellenlängen-Glasfaserkommunikationsnetze bilden den Kern der gesamten Telekommunikationsnetze. Der mittlere Infrarotbereich ist jedoch auch ein wichtiges Wellenband für die Anwendung elektro-optischer Geräte in militärischen und zivilen Bereichen, wie Infrarot-Gegenmaßnahmen, chemisches Sensing, Infrarot-Lenkung, Umweltüberwachung, Weltraumkommunikation usw. Darüber hinaus werden mid-infrarot-integrierte elektro-optische Geräte wie Photodetektoren und Modulatoren entwickelt, um das 1,55-μm-Kommunikationsfenster zu erweitern.

In den letzten Jahren wurden 2D-funktionale elektro-optische Materialien wie Graphen [1,2,3,4], Chalkogenide [5] und schwarzer Phosphor [6] entdeckt, die die Entwicklung integrierter Elektrooptik beschleunigten und traditionelle Leistungsgrenzen durchbrachen. Unter diesen Materialien gilt Graphen aufgrund attraktiver Vorteile [7] als ideales Material für optische Modulatoren, wie konstante Absorption über ein breites Spektrum [8], ultrahohe Trägerbeweglichkeit bei Raumtemperatur [9], elektrisch steuerbare Leitfähigkeit und Kompatibilität mit CMOS-Prozessen. Folglich ist der graphenbasierte optische Modulator zu einem heißen Forschungsthema geworden. Bisher liegt der Betriebswellenbereich der meisten berichteten graphenbasierten optischen Modulatoren jedoch bei etwa 1,31 μm oder 1,55 μm [10,11,12,13]. Das Modulationsprinzip von Nah- und Mittelinfrarot ist dasselbe, aber die Betriebswellenlänge des Modulators hängt hauptsächlich von den Transparenzfenstern des Wellenleiters ab. Der Schlüssel zur Realisierung graphenbasierter Mid-IR-Modulatoren ist die Integration von Graphen und verschiedenen Mid-IR-Wellenleitermaterialien. 2017 berichteten Lin et al. [14] über einen mid-infraroten elektro-absorptionsoptischen Modulator basierend auf einer Ge₂₃Sb₇S₇₀-auf-Graphen-Struktur, was das Feld der graphenbasierten Mid-IR-Modulatoren eröffnete.

Als elektro-optisches Material müssen wir auch eine der wichtigsten Eigenschaften anisotroper Dielektrika berücksichtigen [15], die in diesem Artikel [16] experimentell nachgewiesen wurde. Die Permittivität in der Ebene ist einstellbar, die Permittivität in vertikaler Richtung ist jedoch eine Konstante von 2,5. Daher kann Graphen nur stark mit dem in-ebenen elektrischen Feld interagieren [10], weshalb bisher berichtete graphenbasierte Modulatoren eine starke Polarisationsabhängigkeit aufweisen, bei der Modulatoren nur den in-ebenen elektrischen Feldmodus modulieren können [10,11,12,13]. Generell ist der Polarisationszustand von Licht in Wellenleitern oder Fasern zufällig. Um die breite kommerzielle Anwendung graphenbasierter Modulatoren zu realisieren, muss das Problem der Polarisationsabhängigkeit gelöst werden.

In dieser Arbeit stellen wir eine neue Struktur eines graphenbasierten, mid-infraroten, polarisationsunabhängigen elektro-optischen Modulators vor, der die Vorteile großer Modulationsbandbreite und breitem Spektrum der Polarisationsunempfindlichkeit aufweist. Wir verwendeten die SOI-Struktur und einen Ge₂₃Sb₇S₇₀-Glasstreifen, der in SiO₂-Umhüllung eingebettet ist, als Wellenleiterkern. Im Ge₂₃Sb₇S₇₀-Wellenleiter sind zwei Graphenschichten in U-Form (Halbellipse) verteilt und durch Ge₂₃Sb₇S₇₀-Glas isoliert. Da die Graphenschicht U-förmig verteilt ist, können sowohl TE- als auch TM-Moden stark mit Graphen interagieren. Durch geeignete Wahl der Strukturparameter lässt sich die Polarisationsabhängigkeit gut überwinden. Mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) analysierten wir den effektiven Modenindex (EMI) und den Absorptionskoeffizienten (α) des U-Struktur-Geräts. Die Ergebnisse zeigen, dass die Realteile des EMI für TE (N_te) und TM (N_tm) Moden die gleichen Schwankungen (mit konstantem Unterschied) bei unterschiedlichem chemischem Potenzial (μ_c) aufweisen, und die Imaginärteile beider TE- und TM-Moden fast identische Schwankungen und wellenlängenunabhängig in einem breiten Spektrum zeigen. Durch geeignete Wahl der Schaltpunkte für „ON“- und „OFF“-Zustände beträgt die Modulationstiefe für beide TE- und TM-Moden mehr als 16 dB, das Betriebswellenspektrum 2–2,4 μm, der PSL weniger als 0,24 dB, und die theoretische 3-dB-Modulationsbandbreite bis zu 136 GHz.

Methoden

Das Transparenzfenster von Ge₂₃Sb₇S₇₀-Glas reicht von 2 bis 10 μm [17] und ist ein hervorragendes Material für Mid-IR-Photonik. Eine frühere Studie von Lin et al. [14] hat die Machbarkeit eines Ge₂₃Sb₇S₇₀-Graphen-Mid-IR-Modulators bewiesen. In dieser Arbeit verwenden wir ebenfalls Ge₂₃Sb₇S₇₀-Glas als Wellenleitermaterial. Die geometrische Struktur unseres vorgeschlagenen Modulators ist in Abb. 1 dargestellt, die mittels thermischem Nanoimprint-Verfahren gefertigt wurde. Die Prozessschritte sind schematisch in Abb. 1 illustriert. Details zur Herstellung von PDMS-Verbundstempeln und Ge₂₃Sb₇S₇₀-Glaslösung finden sich in [18]. Geometrische Größen und Materialdetails sind in Abb. 2b dargestellt.

Eine SiO₂-Schicht mit Dicke h = 0,8 μm wurde auf Si-Substrat aufgewachsen, dann wurde eine Nut mit Breite w = 0,96 μm und Höhe h = 0,8 μm in der SiO₂-Schicht durch Photolithografie hergestellt. Nach Befüllen mit Ge₂₃Sb₇S₇₀-Lösung und Patterning durch thermisches Nanoimprint entstand eine U-förmige Ge₂₃Sb₇S₇₀-Nut. Eine 10-nm-dicke hexagonale Bornitrid-Schicht (hBN) wurde auf der flachen Fläche aufgebracht. Dann wurden erste Graphenschicht, 50-nm-dicke (Spin-Coating) Ge₂₃Sb₇S₇₀-Isolator und zweite Graphenschicht nacheinander in die U-förmige Ge₂₃Sb₇S₇₀-Nut eingebracht. Schließlich wurde die U-förmige Nut mit Ge₂₃Sb₇S₇₀-Lösung gefüllt, hBN-Umhüllung übertragen und Elektroden hinzugefügt. Die Elektrodenstruktur ist Au–Pd-Graphen, da der Kontaktwiderstand zwischen Graphen und Pd unter 100 (Ω/μm) liegt [19]. Graphen-Blattbreite zwischen Elektrode und Wellenleiter beträgt 0,8 μm. Abb. 2c, d zeigt die elektrische Feldverteilung für beide TE (in-ebene) und TM (vertikale Ebene) Moden.

Wenn Spannung auf das Graphen angelegt wird, wird das chemische Potenzial μ_c des Graphens dynamisch eingestellt. In unserem Modell wird Graphen als anisotropes Material behandelt. Die senkrechte Permittivität ε_⊥ des Graphens variiert nicht mit μ_c und bleibt konstant bei 2,5, während die in-ebene Permittivität ε_‖ einstellbar ist [12].

ε_‖(ω) = 1 + iδ/(ωε₀h_g)

Dabei steht δ für die Leitfähigkeit des Graphens und hängt vom chemischen Potenzial μ_c ab, welches aus der Kubo-Formel [20] abgeleitet werden kann. ω repräsentiert die Kreisfrequenz, und h_g = 0,7 nm ist die effektive Dicke des Graphens.

Wir fertigten einen Ge₂₃Sb₇S₇₀-Streifenwellenleiter an, in den zwei flache Graphenschichten eingebettet waren (Abb. 3 Einfügung). Abb. 3 zeigt den Real- und Imaginärteil des EMI für beide TE- und TM-Moden bei der Wellenlänge 2,2 μm. Der EMI des TE-Modus änderte sich für beide Real- und Imaginärteile deutlich. Im Gegensatz dazu traten keine signifikanten Schwankungen beim EMI des TM-Modus für beide Teile auf. Der Hauptgrund ist, dass die TM-Modenpolarisierung senkrecht zur Graphenebene steht und ε_‖ im chemischen Potenzial nicht einstellbar ist. In dieser Arbeit biegen wir die Graphenschicht in U-förmigem Layout, um gleichen Einfluss auf beide TE- und TM-Moden auszuüben.

Ergebnisse und Diskussion

Obwohl polarisationsunabhängige elektro-optische Modulatoren auf Graphenbasis bereits berichtet wurden [15,16,17,18,19,20,21], ist die Polarisationsunabhängigkeit dieser Geräte eng wellenlängenabhängig [22]. In unserem Modell wird die U-Struktur verwendet, bei der wir feststellen, dass die Empfindlichkeit der Wellenleiterpolarisierung nur schwach mit der Wellenlänge korreliert. Der Imaginärteil des EMI ist als elektro-absorptionsbekannt. Wie in Abb. 3 gezeigt, erreicht der Imaginärteil des EMI bei niedrigem chemischem Potenzial um μ_c = 0,1 eV ein Maximum. Daher kann der Punkt μ_c = 0,1 eV als „OFF“-Zustandspunkt gewählt werden. Gleichzeitig ist die Diskrepanz des Imaginärteils des EMI zwischen TE- und TM-Moden am „OFF“-Zustandspunkt am höchsten. Um eine geringere Absorptionsdiskrepanz zu erreichen, müssen wir die Diskrepanz der Absorption am „OFF“-Zustandspunkt minimieren. Bei Wellenlänge = 2,2 μm und Ra = 0,35 μm (Größe der kleinen Halbachse der Ellipse, also der horizontale Achse), durch Variation von μ_c von 0,1 bis 0,8 eV unter verschiedenen Rb (Größe der großen Halbachse der Ellipse, also der vertikale Achse), wird der Einfluss von variierendem μ_c auf EMI für beide TE- und TM-Moden analysiert, wie in Abb. 4a gezeigt. Offensichtlich nehmen die Diskrepanzwerte zwischen TE- und TM-Moden rapide ab, wenn Rb von 0,35 auf 0,55 μm eingestellt wird. Dies deutet darauf hin, dass ein niedrigerer PSL um Rb = 0,55 μm erreicht werden kann. Daher wird der Parameter Rb um 0,55 μm variiert, und man findet, dass die Absorptionsdiskrepanz zwischen TE- und TM-Moden zunächst abnimmt und dann mit zunehmendem Rb wieder zunimmt. Am Punkt Rb = 0,565 μm wird ein Minimalwert erreicht.

Bei Ra = 0,35 μm, Rb = 0,565 μm, Wellenlänge = 2,2 μm wurde die Variation des EMI für beide TE- und TM-Moden mit chemischem Potenzial analysiert. Wie in Abb. 5 gezeigt, hat der Realteil des EMI für TE- und TM-Moden den gleichen Variationstrend mit konstantem Unterschied. Da der Modulator auf dem Elektroabsorptionsprinzip basiert, müssen wir uns nur um den Imaginärteil des EMI kümmern. Darüber hinaus sind die α-Werte sowohl für TE- als auch TM-Moden unter allen μ_c-Werten fast identisch. Dies ist die Eigenschaft, die wir für das Design eines polarisationsunabhängigen Elektroabsorptionsmodulators benötigen. Ein höchster und niedrigster Wert von α (proportional zum Imaginärteil des EMI) kann bei μ_c = 0,1 eV bzw. μ_c = 0,8 eV erzielt werden (Abb. 5). Daher können die Punkte μ_c = 0,1 eV und μ_c = 0,8 eV als „OFF“- und „ON“-Zustandspunkte gewählt werden.

Die Variation von α als Funktion der Wellenlänge wird in Abb. 6a, b dargestellt. Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass α der beiden Moden bei Wellenvänderung im starken Absorptionszustand („OFF“-Zustand) sehr identisch ist, und die Differenzen zwischen den beiden Moden relativ klein geblieben sind. Im „ON“-Zustand liegt die Diskrepanz von α zwischen TE- und TM-Moden in der Größenordnung von 10^–4. Um die Diskrepanz zwischen den beiden Moden weiter und genauer zu messen, wird PSL definiert als PSL = ER(TE) - ER(TM), wobei ER das Auslöschungsverhältnis ist. Wir maßen die Modulationstiefe des Modulators in zwei Moden als Funktion der Wellenlänge unter der Bedingung eines 200 μm langen Wellenleiters. Wie in Abb. 7 gezeigt, ist im breiten Spektralbereich von 2–2,4 μm die Modulationstiefe der beiden Moden mehr als 16 dB, und der PSL beträgt weniger als 0,24 dB.

Für einen optischen Modulator ist die 3-dB-Modulationsbandbreite f_3dB immer einer der wichtigen Parameter. Da Graphen bei Raumtemperatur ultrahohe Trägerbeweglichkeit aufweist, wird die Betriebsgeschwindigkeit des graphenbasierten Modulators nicht mehr durch die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern begrenzt wie bei herkömmlichen Halbleitermodulatoren. Die f_3dB eines graphenbasierten Modulators wird hauptsächlich durch RC-Verzögerung behindert, die als folgt ausgedrückt werden kann:

f_3dB = 1/(2πRC)

R ist der Gesamtwiderstand des Geräts, einschließlich Graphen-Blattwiderstand Rs und Metall-Graphen-Kontaktwiderstand Rc, der in früheren Arbeiten [23]-[25] ausführlich diskutiert wurde. C ist die Kapazität des Modulators, die hauptsächlich aus dem Kondensator besteht, der durch die beiden Graphen-Flocken gebildet wird. Obwohl dieser Kondensator kein ideales Plattenkondensator-Modell ist, verwenden wir zur vorläufigen Schätzung der f_3dB dennoch das Plattenkondensator-Modell zur Berechnung von C. In unseren Berechnungen wurden Rc = 100 Ω/μm [19] und Rs = 200 Ω/μm [26] verwendet, und die Überlappbreite der beiden Graphen-Flocken beträgt ca. 1,53 μm. Die geschätzte f_3dB beträgt bis zu 136 GHz. Zudem sind in Zukunft niedrigere Werte sowohl für Rs als auch Rc möglich, was höhere f_3dB ermöglichen würde.

Die obigen Simulationen basieren auf dem Halbellipsen-Layout mit Ra = 0,35 μm und Rb = 0,565 μm. In der Fertigung kann diese exakte Radiengröße jedoch nicht immer garantiert werden. Daher haben wir auch die Fertigungstoleranz untersucht (Abb. 8). Wenn Ra von 0,345 bis 0,355 μm variiert (Abb. 8a), oder Rb von 0,56 bis 0,57 μm variiert (Abb. 8b), ist der PSL zwischen den beiden Moden immer noch niedriger als 0,6 dB. Unser Gerät hat also große Fertigungstoleranz.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir das Konzept eines breitbandigen, polarisationsunabhängigen, graphenbasierten Mid-Infrarot-Elektroabsorptionsoptikmodulators vorgestellt. In unserer Struktur wird ein U-Struktur-Doppelschicht-Graphen in einen Chalkogenid-Glas-Wellenleiter platziert. Unter verschiedenen Graphen-Chemischen Potenzialen, verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen kleinen Radienlängen werden die grapheninduzierten EMI-Variationen für beide TE- und TM-Moden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass TE- und TM-Moden im Mid-Infrarot 2–2,4 μm fast identische Absorptionskoeffizienten-Variationen aufweisen, was die Anforderung an polarisationsunabhängige Modulation erfüllt. Basierend auf dieser Struktur hat der Modulator mit einer Länge von 200 μm eine Modulationstiefe von mehr als 16 dB. Der Modulationstiefe-Unterschied zwischen den beiden Moden beträgt 0,24 dB, und die theoretische Modulationsbandbreite des Geräts beträgt bis zu 136 GHz. Wir glauben, dass dieser mid-infrarote, polarisationsunabhängige, graphenbasierte elektro-optische Modulator die Erforschung graphenbasierter Modulatoren in den mittleren Infrarotbändern weiter vorantreiben wird.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

ER:

Auslöschungsverhältnis (Extinction ratio)

TM:

Transversale magnetische (Transverse magnetic)

TE:

Transversale elektrische (Transverse electric)

PSL:

Polarisationsempfindlicher Verlust (Polarization-sensitivity loss)

FEM:

Finite-Elemente-Methode (Finite element method)

EMI:

Effektiver Modenindex (Effective mode index)

hBN:

Hexagonales Bornitrid (Hexagonal boron nitride)