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特拉華大學(xué)的Gu Tingyi課題組--低壓超快石墨烯集成相位調(diào)制器的器件結(jié)構(gòu)

石墨烯的原子層薄幾何結(jié)構(gòu)和半金屬能帶可以顯著改善集成光子器件矩陣的性能。其類似半導(dǎo)體的費米能級可調(diào)特性使得石墨烯可以作為電-光調(diào)制的活性層。石墨烯作為一種低損耗的金屬層，可以放置在離有源層更近的地方進行低壓操作。在這項工作中，我們研究了利用石墨烯的半導(dǎo)體和金屬特性的混合器件體系結(jié)構(gòu)，以用于半導(dǎo)體和介電平臺上超快且節(jié)能的電-光相位調(diào)制器。（1）直接接觸石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)。在沒有氧化層的情況下，石墨烯的載流子密度可以通過與硅層的直接接觸來調(diào)節(jié)，而硅的本征區(qū)大部分處于耗盡狀態(tài)。用摻雜的硅作為電極，載流子可以快速注入并從石墨烯的活性區(qū)中耗盡。超快的載流子傳輸時間和小的RC常數(shù)保證了超快的調(diào)制速度（67 GHz的3 dB帶寬），估計的V_π·L為1.19 V·mm。（2）石墨烯集成鈮酸鋰調(diào)制器。作為透明電極，可以將石墨烯放置在靠近集成鈮酸鋰波導(dǎo)的位置，從而以最小的附加損耗（4.6 dB/cm）改善光學(xué)模式輪廓和電場之間的耦合系數(shù)。數(shù)值模擬表明電光重疊系數(shù)提高了2.5倍，估計V_π為0.2 V。

Figure 1. （a）G-Si光電探測器性能矩陣比較。（b）Si和G-Si調(diào)制器。

Figure 2. 設(shè)備原理圖。（a）提出的G-Si光子晶體波導(dǎo)（PhC WG）MZM調(diào)制器的示意圖。（b）PhC WG在1550 nm處的橫截面光學(xué)模式輪廓（TE模式）。（c）石墨烯硅p-n結(jié)調(diào)制器的摻雜曲線。（d）石墨烯硅p-i-n結(jié)調(diào)制器的摻雜曲線。（e）鑄造加工的硅PhC WG的SEM圖像。（f）底切后測得PhC WG的透射光譜。r：PhC平板中孔的半徑

Figure 3. G-Si p-n結(jié)調(diào)制器。（a）G費米能級和折射率在0至-2V的反向偏壓下變化。（b）硅折射率的實部和虛部在0至-2V的反向偏壓下變化。（c）在0至-2V的反向偏壓下，混合結(jié)構(gòu)的有效折射率變化。（d）總有效折射率變化和在0至-2V的儲備偏置下實現(xiàn)π相移的長度。（e）保留偏置從0到-2V的混合波導(dǎo)的損耗。（f）在0至-2V偏壓下驅(qū)動1550 nm附近的MZM的一個臂的透射光譜

相關(guān)研究成果于2021年由特拉華大學(xué)的Gu Tingyi課題組，發(fā)表在IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS（doi：10.1109/JSTQE.2020.3026357）上，原文：Device Architectures for Low Voltage and Ultrafast Graphene Integrated Phase Modulators。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號



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