カルコゲナイドガラス導波路上の偏光非依存性中赤外グラフェン電気吸収変調器

概要

SiO₂/Ge₂₃Sb₇S₇₀構造を用いた偏光非依存性のグラフェンベース中赤外光変調器を提案する。このデバイスでは、2層のグラフェンが半楕円形レイアウトで埋め込まれており、横磁界（TM）モードと横電界（TE）モードの双方に同一の吸収特性を実現している。偏光非依存性変調器の主要性能指標である偏光感度損失（PSL）は、TEおよびTMの基本モードのみをサポートする導波路において0.24 dB未満に抑制された。消光比（ER）16 dB以上、挿入損失1 dB未満、動作波長帯域2.0–2.4 μm（光帯域幅400 nm）を達成し、理論的な3 dB変調帯域幅は136 GHzに達する。

はじめに

近赤外波長帯を用いた光ファイバー通信網は通信インフラの核となっているが、中赤外帯域も軍事・民生分野における電気光学デバイスの重要な応用波長帯である。赤外対抗措置、化学センシング、赤外誘導、環境モニタリング、宇宙通信など多岐にわたる用途が存在する。また、1.55 μm通信窓の拡張を目的とした中赤外集積電気光学デバイス（光検出器、変調器など）の開発も進められている。

近年、グラフェン、カルコゲナイド、黒リンなどの二次元機能性電気光学材料が発見され、集積電気光学デバイスの開発が加速し、従来の性能限界を打破しつつある。中でもグラフェンは、広帯域での一定吸収、室温での超高キャリア移動度、電気的制御可能な伝導度、CMOSプロセスとの互換性などの利点から、光変調器実現の理想的材料と見なされている。しかし、これまで報告されているグラフェンベース光変調器の多くは1.31 μmまたは1.55 μm帯域で動作するものである。近赤外と中赤外の変調原理は同一だが、動作波長は導波路材料の透明窓に依存する。グラフェンベース中赤外変調器実現の鍵は、グラフェンと各種中赤外導波路材料の統合にある。2017年、LinらによりGe₂₃Sb₇S₇₀-on-グラフェン構造を用いた中赤外電気吸収光変調器が報告され、この分野が開拓された。

グラフェンを電気光学材料として用いる際、異方性誘電体としての特性を考慮する必要がある。面内誘電率は化学ポテンシャルで制御可能だが、垂直方向誘電率は2.5で一定である。したがって、グラフェンは面内電界とのみ強く相互作用し、従来のグラフェンベース変調器は強い偏光依存性を示し、面内電界モード（TEモード）のみ変調可能であった。導波路やファイバー中の光偏光状態は一般にランダムであるため、グラフェンベース変調器の実用化には偏光依存性の解決が不可欠である。

本研究では、大変調帯域幅と広帯域偏光非依存性を兼ね備えた新構造のグラフェンベース中赤外偏光非依存電気吸収変調器を提案する。SOI構造とSiO₂クラッドに埋め込まれたGe₂₃Sb₇S₇₀ガラスストリップを導波路コアとして用い、同導波路内に2層のグラフェンをU字型（半楕円形）分布で配置し、Ge₂₃Sb₇S₇₀ガラスで絶縁している。このU字型配置により、TEおよびTM両モードがグラフェンと強く相互作用し、適切な構造パラメータ選択により偏光依存性を克服できる。有限要素法（FEM）による解析の結果、TE（N_te）およびTM（N_tm）モードの実効モード指数（EMI）実部は化学ポテンシャル（μ_c）変化に対して同一の変動傾向（一定差）を示し、虚部も両モードでほぼ同一の変動を示し、広帯域で波長非依存であることが判明した。「ON/OFF」状態の切替点を適切に選択することで、両モードとも変調深度16 dB以上、動作波長2–2.4 μm、PSL 0.24 dB未満、理論的3 dB変調帯域幅136 GHzを達成した。

手法

Ge₂₃Sb₇S₇₀ガラスの透明窓は2–10 μmであり、中赤外フォトニクスに適した材料である。Linらの先行研究により、Ge₂₃Sb₇S₇₀-グラフェン構造の中赤外変調器への適用可能性が実証されている。本研究でも同材料を導波路として採用した。提案変調器の幾何構造を図1に示し、熱ナノインプリントプロセスによる製造工程を概略的に図示する。工程詳細については文献[18]を参照されたい。幾何学的寸法と材料詳細は図2bに示す。

グラフェンベース変調器のGe₂₃Sb₇S₇₀への集積プロセスフロー概略図

偏光非依存電気吸収光変調器の模式図。a 3D概略図；b U字構造Ge₂₃Sb₇S₇₀-グラフェン導波路の2D断面図、グラフェン層間距離d = 50 nm、導波路幅w = 0.96 μm、高さh = 0.8 μm。TEモード（c）とTMモード（d）の電界分布、矢印は偏光方向を示す

Si基板上に厚さh = 0.8 μmのSiO₂層を成長させ、フォトリソグラフィにより幅w = 0.96 μm、高さh = 0.8 μmの溝を形成。Ge₂₃Sb₇S₇₀溶液を充填し熱ナノインプリントでパターニングすることでU字型Ge₂₃Sb₇S₇₀溝を作製。平坦部に厚さ10 nmの六方最窒化ホウ素（hBN）層を配置し、第1グラフェン層、厚さ50 nmのGe₂₃Sb₇S₇₀絶縁層（スピンコート）、第2グラフェン層を順次U字溝に配置。最後にU字溝をGe₂₃Sb₇S₇₀溶液で充填し、hBNクラッドを転写、電極を形成。電極構造はAu–Pd-グラフェンとし、グラフェンとPdの接触抵抗は100 Ω/μm未満[19]。電極と導波路間のグラフェンシート幅は0.8 μm。図2c, dにTE（面内）およびTM（垂直面）モードの電界分布を示す。

グラフェンに電圧を印加すると、化学ポテンシャルμ_cが動的に調整される。本モデルではグラフェンを異方性材料として扱う。垂直方向誘電率ε_⊥はμ_cによらず2.5で一定、面内誘電率ε_‖は以下のように調整可能[12]。

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

δはグラフェンの伝導度で、Kubo公式[20]から導かれる化学ポテンシャルμ_cに関連する。ωは角周波数、h_g = 0.7 nmはグラフェンの実効厚さ。

2枚の平坦グラフェン層を埋め込んだGe₂₃Sb₇S₇₀ストリップ導波路を作製（図3挿入図）。図3は波長2.2 μmにおけるTEおよびTMモードのEMI実部・虚部をプロットしたもの。TEモードは実部・虚部とも顕著に変化するが、TMモードではどちらも有意な変動が見られない。主因はTMモード偏光がグラフェン面に垂直であり、ε_‖が化学ポテンシャルで変調されないためである。本研究ではグラフェン層をU字型レイアウトに曲げることで、TEおよびTM両モードに同等の影響を与える構造とした。

Ge₂₃Sb₇S₇₀ストリップ導波路にグラフェンを平坦配置した場合。波長2.2 μmにおけるTEおよびTMモードのEMI実部・虚部

結果と考察

グラフェンベース偏光非依存電気光学変調器は既に報告されている[15–21]が、それらの偏光非依存性は波長と強く相関している。本モデルではU字構造を採用し、導波路偏光感度が波長と弱い相関しか持たないことを見出した。EMI虚部は電気吸収に対応する。図3より、EMI虚部は低化学ポテンシャルμ_c ≈ 0.1 eVでピークに達するため、この点を「OFF」状態として選択可能。同時に、この「OFF」点でTEとTMモードのEMI虚部の乖離が最大となる。吸収乖離を低減するには、「OFF」点での吸収乖離を最小化すればよい。波長2.2 μm、短半径Ra = 0.35 μmの条件下で、μ_cを0.1–0.8 eVに掃引し、長半径Rbを変化させたときの両モードEMIへの影響を解析（図4a）。Rbを0.35から0.55 μmに変化させるとTE-TM乖離が急減し、Rb ≈ 0.55 μm付近でPSLを低減可能。Rbを0.55 μm周辺で詳細に掃引したところ、吸収乖離はRb増加に伴い減少後増加し、Rb = 0.565 μmで最小値をとる（図4b）。

a 異なるRbにおけるμ_c関数としてのTE・TMモード吸収係数（波長2.2 μm, Ra = 0.35 μm）；b Rb関数としてのTE・TMモード吸収係数（Ra = 0.35 μm, 波長2.2 μm, μ_c = 0.1 eV）

Ra = 0.35 μm, Rb = 0.565 μm, 波長2.2 μmの条件下で、化学ポテンシャル変化に伴う両モードEMI変動を解析（図5）。EMI実部はTE・TMで同一傾向（一定差）を示す。電気吸収原理に基づく変調器では虚部のみが重要だが、全μ_c範囲で両モードの吸収係数αがほぼ同一であることが確認された。これは偏光非依存電気吸収変調器設計に必須の特性である。αの最大値はμ_c = 0.1 eV、最小値はμ_c = 0.8 eVで得られるため、これらを「OFF」および「ON」状態として採用可能。

化学ポテンシャル関数としてのTE・TMモードEMI実部・虚部の模式図

波長関数としてのα変動を図6a, bに示す。「OFF」状態では両モードのαが波長変化に対してほぼ同一に変動し、差分も小さく抑制される。「ON」状態ではTE-TM間のα乖離は10^–4オーダーに留まる。乖離をより精密に評価するため、PSL = ER(TE) - ER(TM)と定義（ERは消光比）。導波路長200 μm条件下で波長関数としての変調深度を測定（図7）。2–2.4 μmの広帯域で両モードとも変調深度16 dB以上、PSL 0.24 dB未満を達成。

「OFF」状態（a）および「ON」状態（b）におけるTE・TMモード吸収係数αの波長依存性

異なる波長における両モード変調深度とPSL（ER(TE-TM)ライン）

光変調器の重要パラメータである3 dB変調帯域幅f_3dBについて検討。グラフェンは室温で超高キャリア移動度を持つため、従来の半導体変調器のように少数キャリア寿命で速度が制限されない。グラフェンベース変調器のf_3dBは主にRC遅延で決まる：

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

Rはデバイス全抵抗（グラフェンシート抵抗Rs + 金属-グラフェン接触抵抗Rc）[23–25]。Cは変調器容量で、主に2枚のグラフェンフレーク間で形成されるキャパシタンス。理想的平行板キャパシタモデルではないが、暫定見積もりとして同モデルを適用。計算ではRc = 100 Ω/μm[19], Rs = 200 Ω/μm[26]、2グラフェンフレーク重なり幅約1.53 μmを用い、f_3dB ≈ 136 GHzと見積もられた。今後Rs, Rcのさらなる低減により、より高いf_3dBが期待できる。

以上のシミュレーションはRa = 0.35 μm, Rb = 0.565 μmの半楕円レイアウトに基づくが、製造上この正確な半径を常に保証できるとは限らない。そこで製造許容度も検証（図8）。Raが0.345–0.355 μm（図8a）、またはRbが0.56–0.57 μm（図8b）の範囲で変動しても、両モード間PSLは0.6 dB未満に抑制され、大きな製造許容度を持つことが確認された。

異なるRa（a）またはRb（b）における両モード変調深度

結論

広帯域偏光非依存グラフェンベース中赤外電気吸収光変調器のコンセプトを提示した。本構造では、U字型二層グラフェンをカルコゲナイドガラス導波路に配置。異なるグラフェン化学ポテンシャル、波長、短半径長さの条件下で、TEおよびTMモードのグラフェン誘起EMI変動を調査。両モードの中赤外2–2.4 μm帯域における吸収係数変動がほぼ同一であり、偏光非依存変調要件を満たすことを確認。導波路長200 μmで変調深度16 dB以上、両モード間変調深度差0.24 dB、理論的変調帯域幅136 GHzを達成。本デバイスが中赤外帯域におけるグラフェンベース変調器研究をさらに推進すると確信する。

データおよび資料の入手可能性

本研究で生成・解析された全データは本掲載論文に含まれています。

略語

ER:

消光比

TM:

横磁界

TE:

横電界

PSL:

偏光感度損失

FEM:

有限要素法

EMI:

実効モード指数

hBN:

六方最窒化ホウ素