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石墨烯中电-折射相位调制的实验验证
Muhammad Mohsin, Daniel Neumaier, Daniel Schall, Martin Otto, Christopher Matheisen, Anna Lena Giesecke, Abhay A. Sagade amp; Heinrich Kurz
由于其可调谐和宽带光学特性，石墨烯一直被认为是光电子器件的有前景的材料。 在这项工作中，我们展示了石墨烯在1530至1570 nm波长范围内的电 - 折射相位调制。 通过在基于硅波导的Mach-Zehnder干涉仪中集成门控石墨烯层，提取了相位调制器的关键参数，如有效折射率，插入损耗和吸收变化的变化。 通过仿真可以很好地再现这些实验获得的值，并且提供设计指南以使石墨烯器件与当代基于硅的相位调制器竞争片上应用。
在现代光学高速通信系统中，相移键控是数据调制的标准方法1,2。 对于光纤系统，基于LiNbO3的相位调制器对于集成硅（Si）光子系统提供优异的性能，但还没有一种理想的相位调制器可用。 用于实现集成Si光子系统中相位调制器的最广泛使用的方法基于pn结（耗尽或注入类型），其提供高速性能，从而能够生成高达60GBit / s的数据速率3。 但是，电光折射相对较弱
在Si pn结中的效应需要mm尺寸的器件才能实现pi;的相移4,5。 这与大面积，高能耗和高插入损耗相关，因此迫切需要替代方案。
石墨烯是碳的二维同素异形体，被认为是广泛的光子应用的有前景的材料6 由于其独特的电光特性7。 特别是对于O和C波段（分别为1260至1360nm和1530至1565nm）中的相关电信波长，由于泡利阻塞导致的大的吸收变化可以通过电门控实现，该门控通过Kramers-Kronig关系转换也导致折射率的大幅变化。 另外，可以设想将晶片级CMOS兼容集成到Si光子平台中8,9。 尽管基于石墨烯的电致折射调制器的计算表明显着的优势，尤其是在器件占板面积，与基于Si的相位调制器相比的操作速度和能量消耗方面10–15，这种装置的实验实现仍然缺失。
在这项工作中，我们报告了使用石墨烯作为活性材料的宽带电致折射相位调制器的实验演示。 从实验中提取该装置的关键参数，例如插入损耗，有效折射率的变化以及吸收的变化，并且已经进行了模拟再现这些值。 然后将结果与使用典型品质因数的现有技术Si调制器进行比较，并且给出了用于实现可显着优于当前基于Si的相位调制器的石墨烯调制器的概要。
我们使用石墨烯氧化石墨烯堆叠嵌入基于Si波导的Mach-Zehnder干涉仪（MZI）的一个臂中，其中石墨烯位于Si波导的渐消场中。 石墨烯的化学势通过偏置两个石墨烯而静电地改变相对于彼此的层。 因此，一个MZI臂的有效折射率发生改变，这导致MZI的传递函数发生偏移。
图1.石墨烯基电致折射相位调制器。 （a）用于确定Delta;n的MZI示意图。 为了清楚起见未示出40nm Al2O3的最终层。 （b）显示在MZI臂上的95nm（85nm HSQ 10nm Al2O3）的横截面SEM图像。 （c）最终设备的光学图像。
结果
图1a说明我们的设备的原理图。 MZI是在带有2mu;m掩埋氧化物（BOX）顶部的脊形波导（宽度= 375nm，高度= 220nm）的Si-绝缘体上（SOI）平台上实现的。 使用针对1530-1570nm优化的光栅耦合器将TE偏振光耦合。 两个MZI臂的长度之间的相对差值为91mu;m。 为了避免在波导的台阶边缘处单层石墨烯开裂，首先将一层氢倍半硅氧烷（HSQ）旋涂在样品上并热在300℃固化1小时16–18。 波导顶部的HSQ厚度为85 nm。 随后，使用O2等离子体和三甲基铝（TMA）作为前体，在300℃下利用原子层沉积（ALD）沉积10nm的Al2O3。图1b显示组合95nm HSQ和Al2O3的波导的横截面SEM图像。 通过PMMA转移方法将单层CVD生长的石墨烯转移至样品17,19。 之后，石墨烯与镍接触并形成图案使用光刻和氧等离子体的长度为200mu;m。 在使用水蒸汽和TMA作为前体的150℃下的另一原子层沉积90nm Al2O3之后，第二CVD生长的单层使用与第一层所述相同的方法转移，接触和图案化作为对电极的石墨烯。 为了钝化第二石墨烯层，另外沉积40nm的Al2O3。 最后，通过Al2O3层以化学方式湿蚀刻通孔以接近两个镍电极。 最终设备的光学图像如图所示图1c。
所有光学和电光测量均在室温下使用具有1mW光输出功率的可调谐连续波激光器（1520-1620nm）在空气中进行。 为了分析每个制造步骤对透射光谱的影响，通过测量作为波长的函数的透射光功率，在制造的每个阶段对器件进行表征。图2a显示三个制造步骤的透射光谱; i）在样品（黑色光谱）上具有85nm HSQ和10nm Al2O3，ii）在第一石墨烯层被转移，图案化，接触并被90nm Al2O TF71）（绿色光谱）和iii）具有两个石墨烯层的最终器件（蓝色光谱）。 这些透射光谱显示每个提到的步骤具有高消光比gt; 15dB的清晰干涉图案。
光栅耦合器，y分路器和Si波导管的初始损耗约为15dB，这从黑色光谱中可以看出图2a。在一个MZI臂上接触并图案化第一石墨烯层至200mu;m并在顶部沉积90nm Al2O3之后，消光比从22.5dB降低至17.5dB（绿色光谱为图。图2a）。 这种消光比的降低是由于石墨烯的固有吸收，石墨烯仅被转移到MZI的一个臂上。 从消光比的这种降低中，提取〜2dB（当通过石墨烯长度标准化时〜0.01dB /mu;m）的固有石墨烯吸收被提取。
图2.在环境条件下执行的测量。 （a）器件在不同制造阶段的透射光谱。 下石墨烯层的固有吸收为0.01dB /mu;m从灭绝比率的减少估计。 （b）在两个石墨烯层之间施加的电压导致a传输最小值的重现性变化，这在插图中很清楚。 如补充信息所示，所有最低标准都可以观察到这种转变。 为了清楚起见，只绘制了两个不同的电压。
（c）作为所施加的电压的函数的波长偏移Delta;lambda;，以5V为步长。Delta;n的相应值使用等式 1，也绘制。 （d）作为器件施加电压的函数的吸收变化Delta;alpha;的变化。 滞后主要归因于水生过程中生长的氧化物。
图3.仿真结果（a）SiO2-Si-HSQ-Al2O3 - 石墨烯-Al2O3叠层，如用于每种材料的折射率的模拟。 请注意，由于顶层石墨烯层对传播模式的影响可忽略不计，因此不会在模拟中考虑。
（b）对于不同的Gamma;的nEFF和吸收的模拟值针对石墨烯中的不同掺杂水平绘制。 吸收和nEFF显示可忽略的依赖Gamma;值小于2e12sminus;1。
（c）Delta;n/Delta;alpha;模拟描绘了与Si at相当的数值较高的兴奋剂水平。
（d）对于1e14 - 2.5e13sminus;1之间的Gamma;，Delta;n/Delta;alpha;的模拟值与0.1mu;m/ dB的实验值一致。
其中L，d和Delta;lambda;分别是石墨烯长度（200mu;m），最小值（6.6nm）和波长随电压V的偏移。图2c显示Delta;lambda;以及相应的Delta;n值。 140pm的最大波长偏移转化为由有效折射率变化1.5times;10minus;4引起的pi;/ 20的相移。
在MZI中，一个手臂吸光度的变化Delta;alpha;可以根据消光变化来确定。 从中可以看出图2b（和补充信息），在 40V观察到最小透射率的增加，对应于0.0028dB /mu;m的吸收变化。 然而，由于Delta;alpha;相对较低，透射光谱的拟合与高水平的不确定性相关。 因此，我们通过机械地抓取一个MZI臂（没有顶部的石墨烯调制器）来将我们的器件转换为纯电吸收调制器，这留下了文献中提出的电吸收调制22。 测量该电吸收调制器的透光率，测量电压为-40V至 40V。最大Delta;alpha;= 0.0024dB /mu;m，如图2d。 器件特性的滞后行为对于基于石墨烯的场效应器件是典型的并具有
与O2/ H2O在石墨烯/介电界面处的氧化还原偶联有关23,24.
除了实验之外，还对波导 - 石墨烯叠层的光学性质进行了模拟，以获得实验中提取的主要光学参数（吸收，Delta;n和Delta;alpha;）的互补信息并探索化学方面的参数空间潜力和流动性。 该模拟基于石墨烯的复杂光导，其依赖于费米能，散射率和温度，并且已经使用有限元MATLAB中的差分法25。 由于顶部石墨烯层远离波导超过180nm，并且发现其对光学模式的影响与下部石墨烯层相比显着更小，所以在模拟中不考虑。 HSQ和Al2O3的折射率来自文献18,26。 如图3a 说明，折射率为1.44-3.48-1.38-1.64-ng的TF2-Si-HSQ-Al ）-1.64（ng是石墨烯的电位依赖折射率），TE模式沿着非平面波导传播，这是实验中使用的堆叠的理想情况。 在模拟中，复杂的光导性
石墨烯（sigma;）表示为带内和带间贡献的总和，其使用由下式给出的库波形式来确定：
其中温度（T）和费米速度（vF）分别取为300K和0.9times;106msminus;110,22。 Gamma;，mu;c，xi;，e，omega;，ħ，kB和fd是载流子散射率，化学势，能量，电子电荷，辐射频率，普朗克常数，玻尔兹曼常数和费米-Dirac分布。 在模拟中，Gamma;从5e11到1e14sminus;1变化，以便识别其对光学性质。 这些散射率对应于270至54000cm2/在mu;c= 0.3eV（使用mu;=（ev2）/（Gamma;mu;）计算）时的Vs通常在真实器件中发现。 以来发现石墨烯是我们的器件的p型掺杂，这里仅针对负电化学势讨论了模拟。 然而，由于石墨烯中的对称带结构，石墨烯的光导率对于正电和负电化学势是对称的10,29,30.
石墨烯的介电常数εg（因此折射率ng）与其光学传导率有关
其中ε是考虑到SiO2-Si-HSQ-Al2O3-石墨烯-Al2O3堆栈的折射率的介电常数张量。 上述麦克斯韦方程的特征解给出了复数特征值，其中实部和虚部分别代表nEFF和吸收。 nEFF和吸收的模拟值绘制在图3b为不同的Gamma;。 有石墨烯显示一个模拟在mu;c= 0eV处的最大固有吸收为0.013dB /mu;m，与Gamma;无关并且一致通过实验获得0.01dB /mu;m的值。 在mu;clt;-0.4eV处，观察到吸收对Gamma;的强烈依赖性，因为带内吸收成为那里的主要过程。 在这种情况下，对应于高载流子迁移率的低Gamma;给出较低的吸收。 与吸收相反，nEFF在mu;c〜0.4eV附近的最大值nEFF处仅表现出对Gamma;的依赖性，并且对于更高和更低的mu;c而言在Gamma;上实际上独立于从中清除图3b.
讨论
在已经呈现基于石墨烯的相位调制器的测量值和模拟值之后，可以使用不同的通用品质因数来与硅基相位调制器进行比较。 我们首先开始讨论两个重要的固有品质因数，它们不依赖于确切的器件布局，而仅取决于石墨烯中的掺杂水平和散射参数，即对于某一相变的插入损耗和变化率折射率与吸收的变化相关。
对于本文中实现的相位调制器，本征石墨烯吸收引起的插入损耗为2 dB，而pi;/ 20相移则达到。 这意味着对于可以执行pi;相移的缩放设备，插入损耗将是〜40dB，这对于实际是不可接受的应用。 这些值与模拟结果非常吻合。 此外，模拟结果表明，在较高的掺杂水平下，mu;c|gt; 0.5 eV时，由于泡带阻塞带间贡献，吸收量显着降低。 可以执行pi;相移的缩放相位调制器的插入损耗在mu;c= -0.6eV和Gamma;= 1.25e13sminus;1（mu;= 1080cm2/0.6eV）下仅为2dB。在mu;c= -0.6eV时的Vs）。 这里，较低的Gamma;即较高的载流子迁移率导致更低的插入损耗。 与基于Si MZI的相位调制器相比，这将是一个改进，其插入损耗为至少4 dB31.另一个内在优点是Delta;n/Delta;alpha;，它定义了折射率变化与吸收变化的比率。 对于我们的器件，从实验中提取0.1mu;m/ dB的平均值，这比基于Si的调制器小10倍4,5,32。 再次，实验值与在2.5e13至5e13sminus;1范围内的mu;的模拟一致（mu;c从0至大约在我们的实验中为-0.35eV）。 这些散射率对应于在mu;c= -0.3eV下的500-1000cm2/ Vs的载流子迁移率（通常在使用相同制造工艺的参考器件中测量的迁移率）。 0.1mu;m/ dB的低Delta;n/Delta;alpha;意味着为了获得pi;的相移，光强度改变降低10dB，这对于要求恒定光强度的大多数应用来说是不可接受的。 我们再次模拟表明，对于较低的Gamma;或较高的掺杂水平，其中|mu;c|gt; 0.5 eV，可以预期有显着的改进。 在这些条件下，Delta;n/Delta;alpha;可以达到大于1mu;m/ dB的优异值（参见图2）图。如图3c所示，d）。于片上相位调制器，长度为L和驱动电压Vpi;的乘积为pi;的相移被认为是主要数字，不仅取决于内在参数，还取决于器件布局。 理想情况下，此产品称为Vpi;·L，应尽可能小。 对于此处实现的调制器，获得30V·cm的值，其与基于Si的相位调制器相比更大，其中实现了在0.5-15V·cm范围内的典型值4,5。 然而，在我们的案例中，这样一个大的值并不意外，因为它主要与我们的设备架构有关。 在这里，下面的距离很大石墨烯层和Si波导导致相对弱的光相互作用，并且两个石墨烯层之间的90nm厚的电介质导致弱的静电耦合。 在我们的实验中，主要目标是使用最简单的制造步骤来实现基于概念验证的石墨烯相位调制器。 优化器
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