カルコゲニドガラス導波路に統合されたグラフェンベースの偏光に依存しない中赤外電気吸収変調器

はじめに

近赤外波長光ファイバ通信ネットワークは、通信ネットワーク全体の中核になりつつあります。ただし、中赤外線は、赤外線対策、化学センシング、赤外線ガイダンス、環境モニタリング、宇宙通信など、軍事および民間分野での電気光学デバイスのアプリケーションにとって重要な波長帯でもあります。さらに、中赤外線光検出器や変調器などの統合された電気光学デバイスも、1.55μmの通信ウィンドウを拡張するために開発されています。

近年、グラフェン[1,2,3,4]、カルコゲニド[5]、黒リン[6]などの2D機能性電気光学材料が発見され、統合された電気光学と従来のパフォーマンス制限を破りました。これらの材料の中で、グラフェンは、広いスペクトルにわたる一定の吸収[8]、室温での超高キャリア移動度[9]、電気的に制御可能などのいくつかの魅力的な利点[7]により、光変調器を実現するための理想的な材料と見なされます。導電率とCMOS処理との互換性。その結果、グラフェンベースの光変調器はホットな研究トピックになっています。ただし、これまでのところ、ほとんどの報告されているグラフェンベースの光変調器の動作波長帯は、約1.31μmまたは1.55μmです[10、11、12、13]。近赤外線と中赤外線の変調原理は同じですが、変調器の動作波長は主に導波管の透過ウィンドウに依存します。グラフェンベースの中赤外線変調器を実現するための重要なポイントは、グラフェンとさまざまな中赤外線導波路材料の統合です。 2017年、Lin etal。 [14]は、Ge ₂₃ に基づく中赤外電気吸収光変調器を報告しました。 Sb ₇ S ₇₀ -グラフェンベースの中赤外線変調器の分野を切り開いたオングラフェン構造。

電気光学材料としてのグラフェンについては、異方性誘電体の最も重要な特性の1つ[15]も考慮する必要があります。これは、この記事[16]で実験的に証明されています。平面の誘電率は調整可能ですが、垂直の誘電率は2.5の定数です。したがって、グラフェンは面内電界とのみ強く相互作用できます[10]。これが、以前に報告されたグラフェンベースの変調器が強い分極依存性を持ち、変調器が面内電界モードのみを変調できる理由です[10 、11、12、13]。一般に、導波路またはファイバ内の光の偏光状態はランダムです。グラフェンベースの変調器の幅広い商用アプリケーションを実現するには、偏光依存の問題を解決する必要があります。

この作業では、グラフェンベースの中赤外偏光に依存しない電気光学変調器の新しい構造を提示します。これには、広い変調帯域幅と広いスペクトルの偏光非感受性という利点があります。 SOI構造とGe ₂₃ を使用しました Sb ₇ S ₇₀ SiO ₂ に埋め込まれたガラスストリップ 導波管コアとしてのクラッド。 Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ 導波路、2つのグラフェン層はU（半楕円）タイプの分布であり、Ge ₂₃ によって絶縁されています Sb ₇ S ₇₀ ガラス。グラフェン層はU型分布であるため、TEモードとTMモードの両方がグラフェンと強く相互作用する可能性があります。構造パラメータを適切に選択することにより、偏光依存性を十分に克服できます。有限要素法（FEM）を使用して、実効モード指数（EMI）と吸収係数（α）を分析しました。 ） U の -構造デバイス。結果は、TEのEMIの実数部（ N _te ）およびTM（ N _tm ）モードは、異なる化学ポテンシャル（μ）で同じ変動（一定の差）を持ちます _c ）、およびTEモードとTMモードの両方の虚数部は、広いスペクトルでほぼ同じ変動と波長に依存しません。 「オン」状態と「オフ」状態のスイッチングポイントを適切に選択することにより、TEモードとTMモードの両方で、変調深度は16 dB以上、動作波長スペクトルは2〜2.4μm、PSLは0.24dB未満です。理論上の3dB変調帯域幅は136GHzと高くなっています。

メソッド

Ge ₂₃ の透明度ウィンドウ Sb ₇ S ₇₀ ガラスの範囲は2〜10μm [17]で、中赤外線フォトニクスに最適な材料です。 Linらが主導した以前の研究。 [14]は、Ge ₂₃ を実現する可能性を証明しています。 Sb ₇ S ₇₀ -グラフェン中赤外線変調器。この作品では、Ge ₂₃ も取り上げます Sb ₇ S ₇₀ 導波路材料としてのガラス。提案された変調器の幾何学的構造を図1に示します。これは、熱ナノインプリントプロセスを使用して製造されたものです。プロセスステップの詳細を図1に模式的に示します。PDMS複合スタンプとGe ₂₃ の準備の詳細については、論文[18]を参照することもできます。 Sb ₇ S ₇₀ ガラス溶液。幾何学的なサイズと材料の詳細を図2bに示します。

Ge ₂₃ に統合されたグラフェンベースの変調器の概略プロセスフロー Sb ₇ S ₇₀

偏光に依存しない電気吸収光変調器の図。 a 変調器の3D概略図。 b U構造Ge ₂₃ の2D断面 Sb ₇ S ₇₀ -グラフェン導波路、2つのグラフェン層間の距離 d =50 nm、導波路幅 w =0.96μm、高さ h =0.8μm。 TEモードの電界分布（ c ）およびTMモード（ d ）、矢印は偏光の方向を示します

SiO ₂ 厚さh =0.8μmの層をSi基板上に成長させ、次に幅w =0.96μm、高さh =0.8μmの溝をSiO ₂ に作成しました。 フォトリソグラフィー法を用いた層。 Ge ₂₃ を埋めた後 Sb ₇ S ₇₀ 熱ナノインプリントによる溶液とパターン化、U型Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ 溝ができました。平坦な領域に厚さ10nmの六方晶窒化ホウ素（hBN）層を舗装しました。次に、最初のグラフェン層、厚さ50 nm（スピンコーティング）Ge ₂₃ Sb ₇ S ₇₀ 絶縁体と2番目のグラフェン層はU型Ge ₂₃ に舗装されました Sb ₇ S ₇₀ 順番に溝。最後に、U型Ge ₂₃ を埋めました Sb ₇ S ₇₀ Ge ₂₃ の溝 Sb ₇ S ₇₀ 溶液と転写されたhBNクラッディングと追加された電極。グラフェンとPdの接触抵抗が100（Ω/μm）未満であるため、電極構造はAu–Pd-グラフェンです[19]。電極と導波路間のグラフェンシート幅は0.8μmです。図2c、dは、TE（面内）モードとTM（垂直面）モードの両方の電界分布を示しています。

グラフェンに電圧を印加すると、グラフェンの化学ポテンシャルμ _c 動的に調整されます。私たちのモデルでは、グラフェンは異方性材料として扱われます。垂直誘電率ε _⊥ グラフェンの割合はμによって変化しません _c グラフェンの面内誘電率εに対して、常に2.5の定数のままです。 _‖ [12]として調整できます。

δ グラフェンの導電率を表し、化学ポテンシャルμに関連します _c 、久保公式[20]から推定できます。 ω ラジアン周波数を表し、 h _g =0.7nmはグラフェンの有効厚さです。

Ge ₂₃ を作成しました Sb ₇ S ₇₀ 2つの平らなグラフェン層が埋め込まれたストリップ導波路（図3挿入）。図3は、波長2.2μmでのTEモードとTMモードの両方のEMIの実数部と虚数部をプロットしたものです。 TEモードのEMIは、実数部と虚数部の両方で明らかに変化しました。それどころか、実数部と虚数部の両方で、TMモードのEMIに大きな変動は発生しませんでした。主な理由は、TMモードの偏光がグラフェン平面に垂直であり、εであるためです。 _‖ 化学ポテンシャルは調整できません。この作業では、グラフェン層をUタイプのレイアウトとして曲げて、TEモードとTMモードの両方に同等の影響を与えます。

グラフェンはGe ₂₃ でまっすぐに舗装されました Sb ₇ S ₇₀ ストリップ導波管。 2.2μmの波長でのTEモードとTMモードの両方のEMIの実数部と虚数部

結果と考察

グラフェンに基づく偏光に依存しない電気光学変調器が報告されていますが[15、16、17、18、19、20、21]、これらのデバイスの偏光に依存しないことは波長と密接に関連しています[22]。したがって、私たちのモデルでは、U構造が使用されており、導波路偏光の感度は波長との相関が弱いことがわかります。 EMIの虚数部は、電気吸収として知られています。図3に示すように、EMIの虚数部は、μ付近の低い化学ポテンシャルでピークに達します。 _c =0.1eV。したがって、μ _c =0.1eVポイントを「オフ」状態ポイントとして選択できます。同時に、TEモードとTMモードの間のEMIの虚数部の不一致は、「オフ」状態ポイントで最も高くなります。吸収の不一致を低くするには、「オフ」状態のポイントでの吸収の不一致を最小限に抑える必要があります。 μをスイープすることにより、波長=2.2μmおよびRa =0.35μm（水平軸である楕円の短半径のサイズ）で _c 0.1から0.8eVまで、さまざまなRb（垂直軸である楕円の主半径のサイズ）の下で、さまざまなμの影響 _c 図4aに示すように、TEモードとTMモードの両方のEMIについて分析します。 Rbが0.35から0.55μmに調整されると、TEモードとTMモードの間の不一致値が急速に減少することは明らかです。これは、Rb =0.55um付近でより低いPSLに到達できることを示しています。したがって、パラメータRbを約0.55μmスイープすると、TEモードとTMモードの間の吸収の不一致が最初に減少し、次にRbの増加とともに増加することがわかります。 Rb =0.565μmの時点で、最小値を得ることができます。

a μの関数としてのTEおよびTMモードの吸収係数 _c 異なるRbで（波長=2.2μm、Ra =0.35μm）; b Rbの関数としてのTEおよびTMモードの吸収係数（Ra =0.35μm、波長=2.2μm、μ _c =0.1eV）

Ra =0.35μm、Rb =0.565μm、波長=2.2μmの場合、化学ポテンシャルによるTEモードとTMモードの両方のEMIの変動を分析しました。図5に示すように、EMIの実数部は、TEモードとTMモードで同じ変動傾向を示し、一定の差があります。変調器は電気吸収原理に基づいているため、EMIの虚数部に注意する必要があります。さらに、すべてのμの下で _c 値、α TEとTMの両方がほぼ同じです。これは、偏光に依存しない電気吸収変調器を設計するために必要な特性です。 αの最高値と最低値 （EMIの虚数部に比例）μで取得できます _c =0.1eVおよびμ _c それぞれ=0.8eV（図5）。したがって、μのポイント _c =0.1eVおよびμ _c =0.8eVは、「オフ」および「オン」状態ポイントとして選択できます。

化学ポテンシャルの関数としてのTEモードとTMモードの両方のEMIの実数部と虚数部の図

αのバリエーション 波長の関数として、図6a、bに示されています。図6から、α 2つのモードの違いは、強い吸収状態（「オフ」状態）での波長変化と非常に同じであり、2つのモードの違いは比較的小さく保たれています。 「オン」状態では、TEモードとTMモードの間のαの不一致は10 ^–4 のオーダーです。 。 2つのモード間の不一致をさらに正確に測定するために、PSLはPSL =ER（TE）-ER（TM）として定義されます。ここで、ERは消光比です。長さ200μmの導波路の条件下で、波長の関数として2つのモードで変調器の変調深度を測定しました。図7に示すように、2〜2.4μmの広いスペクトル範囲で、2つのモードの変調深度は16 dBを超え、PSLは0.24dB未満であることが図からわかります。

吸収係数（α ）TEとTMの変動は、「OFF」状態（ a ）での波長変化とほぼ同じです。 ）および「オン」状態（ b ）

異なる波長での2つのモード間の変調深度と2つのモード間のPSL（ラインER（TE-TM））

光変調器の場合、3dBの変調帯域幅 f _3dB 常に懸念すべき重要なパラメータの1つです。グラフェンは室温で超高速のキャリア移動度を備えているため、グラフェンベースの変調器の動作速度は、従来の半導体変調器のように少数キャリアの寿命によって制限されなくなりました。 f _3dB グラフェンベースの変調器の特性は、主にRC遅延によって妨げられます。RC遅延は次のように表すことができます

R は、グラフェンシート抵抗Rsと金属-グラフェン接触抵抗Rcを含むデバイスの総抵抗であり、これは以前の研究[23]-[25]で注意深く議論されています。 C は変調器の静電容量であり、主に2つのグラフェンフレークによって形成されるコンデンサで構成されます。このコンデンサは理想的な平行平板コンデンサモデルではありませんが、事前に f を見積もるには _3dB 、引き続き平行平板コンデンサモデルを使用して C を計算します 。私たちの計算では、Rc =100Ω/μm[19]およびRs =200Ω/μm[26]が使用され、2つのグラフェンフレークのオーバーラップ幅は約1.53μmです。推定f _3dB 136GHzと同じくらい高いです。さらに、将来的にはRsとRcの両方の値が低くなる可能性があります。これは、 f が高くなることを意味します。 _3dB 入手できます。

上記のシミュレーションは、Ra =0.35μmおよびRb =0.565μmの半楕円レイアウトに基づいています。ただし、製造時には、この正確な半径サイズが常に保証されるとは限りません。そのため、製造公差についても調査しました（図8）。 Raが0.345から0.355μmまで変化する場合（図8a）、またはRbが0.56から0.57μmまで変化する場合（図8b）、2つのモード間のPSLは依然として0.6dB未満です。そのため、私たちのデバイスには大きな製造公差があります。

異なるRaでの2つのモードの変調深度（ a ）またはRb（ b ）

結論

結論として、広帯域偏光に依存しないグラフェンベースの中赤外電気吸収光変調器の概念を提示しました。私たちの構造では、U構造の2層グラフェンがカルコゲナイドガラス導波路に配置されています。さまざまなグラフェン化学ポテンシャル、さまざまな波長、さまざまな短半径の長さの下で、TEモードとTMモードの両方でグラフェンによって誘発されるEMI変動が調査されます。結果は、TEモードとTMモードの吸収係数の変動が中赤外線2〜2.4μmでほぼ同じであることを示しています。これは、偏光に依存しない変調の要件を満たしています。この構造に基づいて、200μmの長さの変調器は16dB以上の変調深度を持っています。 2つのモード間の変調深度の差は0.24dBであり、デバイスの理論的な変調帯域幅は136GHzと高くなっています。この中赤外線偏光に依存しないグラフェンベースの電気光学変調器は、中赤外線帯域でのグラフェンベースの変調器の研究をさらに促進すると信じています。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

ER：

消光比

TM：

横磁気

TE：

横電気

PSL：

偏光感度の低下

FEM：

有限要素法

EMI：

実効モードインデックス

hBN：

六方晶窒化ホウ素