Modulateur d'électro-absorption dans l'infrarouge moyen indépendant de la polarisation et à base de graphène intégré dans un guide d'ondes en verre chalcogénure

Introduction

Les réseaux de communication à fibres optiques de longueur d'onde proche infrarouge deviennent le cœur de l'ensemble des réseaux de télécommunications. Cependant, l'infrarouge moyen est également une bande d'ondes importante pour l'application de dispositifs électro-optiques dans les domaines militaires et civils, tels que les contre-mesures infrarouges, la détection chimique, le guidage infrarouge, la surveillance de l'environnement, la communication spatiale, etc. des dispositifs électro-optiques intégrés, tels que des photodétecteurs et des modulateurs, sont également développés pour étendre la fenêtre de communication de 1,55 m.

Au cours des dernières années, des matériaux électro-optiques fonctionnels 2D, tels que le graphène [1,2,3,4], le chalcogénure [5] et le phosphore noir [6], ont été découverts, ce qui a accéléré le développement de systèmes électro-optiques intégrés et a brisé la limitation de performance traditionnelle. Parmi ces matériaux, le graphène est considéré comme un matériau idéal pour réaliser des modulateurs optiques en raison de certains avantages intéressants [7], tels qu'une absorption constante sur un large spectre [8], une mobilité ultra-élevée des porteurs à température ambiante [9], un contrôle électrique conductivité et compatibilité avec le traitement CMOS. Par conséquent, le modulateur optique à base de graphène est devenu un sujet de recherche brûlant. Cependant, de loin, la bande d'onde de fonctionnement de la plupart des modulateurs optiques à base de graphène rapportés est d'environ 1,31 m ou 1,55 m [10,11,12,13]. Le principe de modulation du proche infrarouge et du moyen infrarouge est le même, mais la longueur d'onde de fonctionnement du modulateur dépend principalement des fenêtres de transparence du guide d'ondes. Le point clé pour la réalisation de modulateurs infrarouges moyens à base de graphène est l'intégration de graphène et de divers matériaux de guides d'ondes infrarouges moyens. En 2017, Lin et al. [14] ont rapporté un modulateur optique à électro-absorption dans l'infrarouge moyen basé sur Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ -sur la structure du graphène, qui a ouvert le domaine du modulateur infrarouge moyen à base de graphène.

Le graphène en tant que matériau électro-optique, nous devons également considérer l'une des caractéristiques les plus importantes du diélectrique anisotrope [15], qui a été prouvée expérimentalement dans cet article [16]. La permittivité dans le plan est réglable, cependant, la permittivité dans la verticale est une constante de 2,5. Ainsi, le graphène ne peut interagir fortement qu'avec le champ électrique dans le plan [10], c'est la raison pour laquelle les modulateurs à base de graphène rapportés auparavant ont une forte dépendance de polarisation, dans laquelle les modulateurs ne peuvent moduler que le mode de champ électrique dans le plan [10 ,11,12,13]. Généralement, l'état de polarisation de la lumière dans le guide d'ondes ou la fibre est aléatoire. Pour réaliser la large application commerciale du modulateur à base de graphène, le problème de la dépendance à la polarisation doit être résolu.

Dans ce travail, nous présentons une nouvelle structure de modulateur électro-optique indépendant de la polarisation infrarouge moyen à base de graphène, qui présente les avantages d'une large bande passante de modulation et d'un large spectre d'insensibilité à la polarisation. Nous avons utilisé la structure SOI et un Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ bande de verre qui est noyée dans SiO₂ gaine en tant que noyau de guide d'ondes. Dans le Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ guide d'onde, deux couches de graphène sont de type U (semi-ellipse) et sont isolées par Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ verre. Étant donné que la couche de graphène est une distribution de type U, les modes TE et TM peuvent interagir fortement avec le graphène. En choisissant correctement les paramètres de structure, nous pouvons bien surmonter la dépendance à la polarisation. En utilisant la méthode des éléments finis (FEM), nous avons analysé l'indice de mode effectif (EMI) et le coefficient d'absorption (α ) de l'U -dispositif structurel. Le résultat montre que les parties réelles d'EMI pour TE (N _te ) et TM (N _tm ) les modes ont les mêmes fluctuations (avec une différence constante) dans des potentiels chimiques différents (μ _c ), et les parties imaginaires des modes TE et TM ont des fluctuations presque identiques et une longueur d'onde indépendante dans un large spectre. En choisissant correctement les points de commutation pour les états « ON » et « OFF », pour les modes TE et TM, la profondeur de modulation est supérieure à 16 dB, le spectre de longueur d'onde de fonctionnement est de 2 à 2,4 m, le PSL est inférieur à 0,24 dB, et la bande passante de modulation théorique de 3 dB atteint 136 GHz.

Méthodes

La fenêtre de transparence de Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ le verre varie de 2 à 10 m [17], ce qui est un excellent matériau pour la photonique dans l'infrarouge moyen. Une étude précédente menée par Lin et al. [14] a prouvé sa faisabilité pour réaliser Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ -Modulateur dans l'infrarouge moyen au graphène. Dans ce travail, nous prenons également Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ verre comme matériau de guide d'ondes. La structure géométrique de notre modulateur proposé est représentée sur la figure 1, qui a été fabriquée à l'aide d'un processus de nanoimpression thermique. Les détails des étapes du processus sont illustrés schématiquement sur la figure 1. Vous pouvez également consulter le document [18] pour obtenir des détails sur la préparation des tampons composites PDMS et Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ solution de verre. Les détails concernant la taille géométrique et les matériaux sont présentés sur la figure 2b.

Flux de processus schématique du modulateur à base de graphène intégré dans Ge₂₃ Sb₇ S₇₀

Illustration du modulateur optique à électro-absorption indépendant de la polarisation. un Schéma 3D du modulateur ; b Coupe transversale 2D de la structure en U Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ -guide d'onde en graphène, distance entre deux couches de graphène d = 50 nm, largeur du guide d'ondes w = 0.96 m, hauteur h =0,8 µm. La distribution du champ électrique pour le mode TE (c ) et le mode MT (d ), les flèches indiquent le sens de polarisation

Un SiO₂ une couche d'épaisseur h = 0,8 m a été développée sur substrat Si, puis un sillon de largeur w = 0,96 m et de hauteur h = 0,8 m a été réalisé en SiO₂ couche en utilisant la méthode de photolithographie. Après avoir rempli Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ solution et modelage par nanoimpression thermique, un Ge₂₃ de type U Sb₇ S₇₀ rainure a été faite. Une couche de nitrure de bore hexagonal (hBN) de 10 nm d'épaisseur a été pavée au niveau de la zone plate. Ensuite, première couche de graphène, épaisseur 50 nm (spin-coating) Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ l'isolant et la deuxième couche de graphène ont été pavés au type U Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ rainure dans l'ordre. Enfin, nous avons rempli le type U Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ groove avec Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ solution et transfert de gaine hBN et électrode ajoutée. La structure de l'électrode est Au–Pd-graphène puisque la résistance de contact entre le graphène et le Pd est inférieure à 100(Ω/μm) [19]. La largeur de la feuille de graphène entre l'électrode et le guide d'ondes est de 0,8 µm. La figure 2c, d présente la distribution du champ électrique pour les modes TE (dans le plan) et TM (plan vertical).

Lorsqu'une tension est appliquée sur le graphène, le potentiel chimique du graphène μ _c est réglé dynamiquement. Dans notre modèle, le graphène est traité comme un matériau anisotrope. La permittivité perpendiculaire ε _⊥ du graphène ne varie pas avec le μ _c et reste toujours une constante de 2,5, alors que la permittivité dans le plan du graphène ε _‖ peut être réglé comme [12].

Le δ représente la conductivité du graphène et se rapporte au potentiel chimique μ _c , qui peut être déduit de la formule de Kubo [20]. Le ω représente la fréquence radian, et h _g = 0,7 nm est l'épaisseur effective du graphène.

Nous avons fait un Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ guide d'onde en bande, dans lequel deux couches plates de graphène ont été intégrées (fig. 3 insert). La figure 3 trace la partie réelle et imaginaire de l'EMI pour les modes TE et TM à la longueur d'onde de 2,2 m. L'EMI du mode TE a évidemment changé pour les parties réelles et imaginaires. Au contraire, aucune fluctuation significative ne s'est produite dans l'EMI du mode TM pour les parties réelles et imaginaires. La raison principale est que la polarisation du mode TM est perpendiculaire au plan du graphène et ε _‖ n'est pas accordable en potentiel chimique. Dans ce travail, nous plions la couche de graphène en tant que disposition de type U pour imposer une influence égale sur les modes TE et TM.

Le graphène a été directement pavé en Ge₂₃ Sb₇ S₇₀ guide d'onde à bande. Les parties réelles et imaginaires de l'EMI pour les modes TE et TM à la longueur d'onde de 2,2 m

Résultats et discussion

Bien que le modulateur électro-optique indépendant de la polarisation basé sur le graphène ait été rapporté [15,16,17,18,19,20,21], l'indépendance de polarisation de ces dispositifs est étroitement liée à la longueur d'onde [22]. Par conséquent, dans notre modèle, la structure en U est utilisée, dans laquelle nous trouvons que la sensibilité de la polarisation du guide d'ondes est faiblement corrélée à la longueur d'onde. La partie imaginaire de l'EMI est connue sous le nom d'électro-absorption. Comme le montre la figure 3, la partie imaginaire de l'EMI atteint un pic à faible potentiel chimique autour de μ _c = 0,1 eV. Ainsi, le μ _c = 0,1 eV peut être choisi comme point d'état « OFF ». Dans le même temps, l'écart de la partie imaginaire de l'EMI entre les modes TE et TM est le plus élevé au point d'état « OFF ». Pour obtenir un écart d'absorption inférieur, il suffit de minimiser l'écart d'absorption au point d'état « OFF ». A la longueur d'onde = 2,2 m et Ra = 0,35 m (taille du petit rayon de l'ellipse qui est l'axe horizontal), en balayant le μ _c de 0,1 à 0,8 eV, sous différents Rb (taille du grand rayon de l'ellipse qui est l'axe vertical), l'influence de μ varié _c sur EMI pour les modes TE et TM est analysé, comme le montre la figure 4a. Il est évident que les valeurs d'écart entre les modes TE et TM diminuent rapidement lorsque Rb est réglé de 0,35 à 0,55 µm. Il indique qu'il est possible d'atteindre un PSL inférieur autour de Rb = 0,55um. Ainsi, en balayant le paramètre Rb autour de 0,55 µm, on constate que l'écart d'absorption entre les modes TE et TM diminue d'abord puis augmente avec l'augmentation de Rb. Au point Rb = 0,565 m, une valeur minimale peut être obtenue.

un Coefficient d'absorption des modes TE et TM en fonction de μ _c à différents Rb, (longueur d'onde = 2,2 µm, Ra = 0,35 µm); b le coefficient d'absorption des modes TE et TM en fonction de Rb (Ra = 0,35 m, longueur d'onde = 2,2 m, μ _c = 0.1 eV)

Lorsque Ra = 0,35 µm, Rb = 0,565 µm, longueur d'onde = 2,2 µm, la variation de l'EMI pour les modes TE et TM avec potentiel chimique a été analysée. Comme le montre la figure 5, la partie réelle de l'EMI a la même tendance de variation pour les modes TE et TM avec une différence constante. Étant donné que le modulateur est basé sur le principe de l'électro-absorption, nous devons juste nous soucier de la partie imaginaire de l'EMI. Qui plus est, sous tous les μ _c valeurs, les α de TE et TM sont presque identiques. C'est la propriété dont nous avons besoin pour concevoir un modulateur d'électro-absorption indépendant de la polarisation. Une valeur la plus élevée et la plus faible de α (proportionnel à la partie imaginaire de l'EMI) peut être obtenu à μ _c = 0.1 eV et μ _c = 0,8 eV, respectivement (Fig. 5). Ainsi, le point de μ _c = 0.1 eV et μ _c = 0,8 eV peut être choisi comme point d'état « OFF » et « ON ».

Illustration des parties réelles et imaginaires de l'EMI pour les modes TE et TM en fonction du potentiel chimique

La variation de α en fonction de la longueur d'onde est présenté sur la Fig. 6a, b. On peut voir sur la figure 6 que le α des deux modes est très identique au changement de longueur d'onde dans l'état d'absorption forte (état "OFF"), et les différences entre les deux modes ont été maintenues relativement faibles. A l'état « ON », l'écart de entre les modes TE et TM est de l'ordre de 10 ^–4 . Pour mesurer l'écart plus loin et avec précision entre deux modes, PSL est défini comme PSL = ER(TE)-ER(TM), où ER est le taux d'extinction. Nous avons mesuré la profondeur de modulation du modulateur dans deux modes en fonction de la longueur d'onde dans la condition d'un guide d'onde de 200 µm de long. Comme le montre la Fig. 7, on peut voir sur le diagramme que dans une large plage de spectre de 2 à 2,4 m, la profondeur de modulation des deux modes est supérieure à 16 dB et PSL inférieure à 0,24 dB.

Coefficients d'absorption (α ) de TE et TM ont une fluctuation presque identique avec le changement de longueur d'onde à l'état « OFF » (a ) et l'état « ON » (b )

Profondeur de modulation des deux modes et PSL (ligne ER(TE-TM)) entre deux modes à des longueurs d'onde différentes

Pour un modulateur optique, la bande passante de modulation de 3 dB f _3dB est toujours l'un des paramètres importants dont il faut se préoccuper. Étant donné que le graphène a une mobilité des porteurs ultra-élevée à température ambiante, la vitesse de fonctionnement du modulateur à base de graphène n'est plus limitée par la durée de vie des porteurs minoritaires comme le sont les modulateurs à semi-conducteurs traditionnels. Le f _3dB d'un modulateur à base de graphène est principalement entravé par le retard RC, qui peut être exprimé par

Le R est la résistance totale de l'appareil, y compris la résistance de feuille de graphène Rs et la résistance de contact métal-graphene Rc, qui a été soigneusement discutée dans des travaux précédents [23]-[25]. Le C est la capacité du modulateur, qui se compose principalement du condensateur formé par les deux flocons de graphène. Bien que ce condensateur ne soit pas un modèle de condensateur à plaques parallèles idéal, pour estimer au préalable le f _3dB , nous utilisons toujours le modèle de condensateur à plaques parallèles pour calculer le C . Dans nos calculs, Rc = 100 Ω/μm [19] et Rs = 200 Ω/μm [26] ont été utilisés, et la largeur de chevauchement de deux flocons de graphène est d'environ 1,53 m. Le f_3dB estimé est aussi élevé que 136 GHz. De plus, des valeurs inférieures de Rs et Rc sont possibles à l'avenir, ce qui signifie un f plus élevé _3dB peut être obtenu.

Les simulations ci-dessus sont basées sur la disposition en demi-ellipse avec Ra = 0,35 µm et Rb = 0,565 µm. Cependant, dans la fabrication, cette taille de rayon exacte ne peut pas toujours être garantie. Par conséquent, nous avons également étudié la tolérance de fabrication (Fig. 8). Lorsque Ra varie de 0,345 à 0,355 µm (Fig. 8a), ou Rb varie de 0,56 à 0,57 µm (Fig. 8b), le PSL entre deux modes est toujours inférieur à 0,6 dB. Ainsi, notre appareil a une grande tolérance de fabrication.

Profondeur de modulation des deux modes à différents Ra (a ) ou Rb (b )

Conclusions

En conclusion, nous avons présenté un concept de modulateur optique d'électro-absorption dans l'infrarouge moyen, indépendant de la polarisation et basé sur le graphène. Dans notre structure, un graphène à double couche de structure en U est placé dans un guide d'ondes en verre chalcogénure. Sous différents potentiels chimiques du graphène, différentes longueurs d'onde et différentes longueurs de rayon court, les variations EMI induites par le graphène pour les modes TE et TM sont étudiées. Les résultats montrent que les modes TE et TM ont une variation de coefficient d'absorption presque identique dans l'infrarouge moyen de 2 à 2,4 m, ce qui répond à l'exigence de modulation indépendante de la polarisation. Sur la base de cette structure, le modulateur d'une longueur de 200 µm a une profondeur de modulation supérieure à 16 dB. La différence de profondeur de modulation entre les deux modes est de 0,24 dB et la bande passante de modulation théorique de l'appareil atteint 136 GHz. Nous pensons que ce modulateur électro-optique à base de graphène indépendant de la polarisation dans l'infrarouge moyen favorisera davantage l'étude du modulateur à base de graphène dans les bandes de l'infrarouge moyen.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

ER :

Taux d'extinction

TM :

Magnétique transversale

TE :

Transversale électrique

PSL :

Perte de sensibilité à la polarisation

FEM :

Méthode des éléments finis

EMI :

Indice de mode effectif

hBN :

Nitrure de bore hexagonal