英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
混合石墨烯等离子体波导调制器
- Ansell1,I.P.Radko2,Z.Han2,F.J.Rodriguez1,S.I.Bozhevolnyi2amp;A.N.Grigorenko1
石墨烯独特的光学和电子性能使新型光电器件的制造成为可能。最令人兴奋的石墨烯特性之一是通过门控的可调性，它允许实现有源光学器件。虽然已经论证了几种基于石墨烯的光子调制器，但将石墨烯的多功能性与等离子体波导的亚波长场限制相结合的潜力，在很大程度上仍有待探索。本文报道了石墨烯-等离子体复合波导调制器的制备和研究。我们考虑了几种类型的调制器，并确定了在电信应用上最有前途的一种。我们演示了这个调制器在电信范围内工作，展现了在一个仅有10mu;m2的有源器件区域的低门限电压下调制深度大于0.03dB/mu;m，该特性已经可以与硅基波导调制器相媲美，同时保留了进一步器件微型化的优点。我们概念验证阶段的结果为实现高效的基于石墨烯的光通信有源等离子体波导器件铺平了道路。
石
墨烯在提供高效的基于石墨烯的光电探测器1-4、专用的传感器5-7和各种光电设备8-10方面具有的巨大潜力。石墨烯电导率通过门控的可调性11-14，原则上可以实现紧凑的光调制器。虽然几种基于石墨烯的光子调制器已经被证明15-19，但将等离子体波导与石墨烯结合用于光调制的任务仍然难以实现。混合石墨烯调制器15-19具有无与伦比的速度、低驱动电压、低功耗和小物理空间占用。这样的调制器将受到电信和光电子学的欢迎。人们通常认为，基于石墨烯的调制器之所以具有特殊性能，是因为石墨烯是一种具有许多绝佳特性20的材料：它是最薄的，最强的，有记录的热导率，显示了最高的电流密度，即使是氦也完全无法穿透，并且具有最高的电荷迁移率。然而，这些非凡的参数中有一些是通过石墨烯极薄的厚度来划分的；一个比较二维石墨烯和三维材料的技巧。例如在光学中，相对较小的石墨烯吸收率为2.3％（在法向光入射下观察，由精细结构常数定义14）可能会导致极高的调制系数达到300dB/mu;m（利用光学泡利阻塞时9）经石墨烯厚度归一化后，已知的tgr=0.335nm。
小的石墨烯厚度，虽然有利于获得最高的数值，但却严重阻碍了光学器件的主动控制任务，因为这意味着一层石墨烯只能影响一小块辐射传播，导致相对较小的吸收和门控调制。在横向调制器结构中（也就是说，当辐射入射并通过石墨烯层传输时），可实现的调制深度仅为每层石墨烯0.1 dB。对于波导调制器，其中波导模式沿石墨烯平面传播并被限制在石墨烯平面附近（在片上信息处理方面最有前途），波导模式与石墨烯层相互作用的部分非常有限，这严重依赖于模式约束。得到的模吸收系数（这表示泡利阻塞可以达到的最大调制系数）大致可以估计如下：dB/mu;m，其中n是波导有效折射率，是自由空间波长，表示相对于模态场加权的石墨烯平面内场分量（负责被石墨烯吸收）。对于典型参数，在一般的石墨烯-波导混合调制器情况下，A在0.02-0.2dB/mu;m水平。几层由电介质分隔的石墨烯可以用来提高这个数字21。然而，为这样的系统设置有效的门控是困难的，而有源光学器件通常最多包含两层石墨烯17。
为了增加石墨烯与光的相互作用，我们可以使用传统的金属等离子体3，9，22-26。等离子体波导可以提供更小体积的传播模式（更大的有效折射率n）和局部场增强(更大的g值)，从而导致更高的调制深度。将石墨烯和等离子体波导结合起来，通过门控实现光调制，存在两个主要问题：（ⅰ）金属层的存在使门控的工作复杂化，间隔介质经常受到高电场27和光28的双重影响和（ⅱ）由于金属-介质界面支持的表面等离子体激元场在介质中主要是横向的27（垂直的电场不会激发横卧石墨烯中的电流），因此很难实现具有较大面内场分量的等离子体波导模式。虽然后一种特性提供了一种有用的可能性，可以在不破坏等离子体特性的情况下保护石墨烯金属等离子体，但它使设计混合石墨烯等离子体波导调制器(HGPWMs)的努力变得相当困难——但并非没有希望。简单的估计表明，石墨烯单分子层实现强SPP吸收的主要可能性(甚至在电信波长)，对于强约束的SPP模式，吸收系数可达约2 dB/mu;m。同时,我们应该记住，由于欧姆损耗，石墨烯单层吸收SPP的幅度与相邻金属吸收SPP的幅度相当，因为这两种吸收机制本质上是由电介质中横向电场分量和纵向电场分量的相同比例决定的（在金属或石墨烯中）。为了解决这个非常棘手的问题，我们建议打破石墨烯与金属层的自然共面性，从而使强横向SPP场分量在石墨烯层上具有非零投影。
在此，我们报告了第一个采用不同构型的HGPWM实现从最简单的共面构型，包括SPPs沿着石墨烯单层膜附近的金属-介质界面传播，到最有效的基于楔形spp沿石墨烯单层膜产生强电场的共面构型。为了调制SPP的传输模式，我们利用了光泡利阻塞效应。这种效应是基于门控产生的费米能量的位移引起的石墨烯光学电导率的变化。为了完全阻挡电信波长=1.5mu;m，的石墨烯的光学跃迁，需要将费米能量从原始值转换到eV。
结果
混合石墨烯等离子体波导几何结构。泡利阻塞效应调制的HGPWM最直接的几何结构（图.1a）是基于经典SPP结构如图.1b,最上面的插图，在金色区域（黄色），它支持SPP传播并充当背栅，覆盖着一个六角氮化硼(hBN)片(紫色的颜色)用作石墨烯的绝缘垫片和原子平滑衬底，以及石墨烯薄片(黑色)。然而，在这种波导结构中，SPP模式在远离可见表面等离子体共振的情况下，仅与金属表面弱结合，主要表现为横向电磁场，这不会激发石墨烯中的电流，而在红外中（与石墨烯平面内电导率相互作用），面内电磁场则小得可以忽略29。因此，经典的HGPWM结构，只能产生非常弱的石墨烯相关吸收，并有望因此只能通过门控进行非常弱的调制，很难在实践中使用。为了增强石墨烯层中的面内场分量，我们引入了等离子体波导的纳米结构(波纹)部分(方法)，以产生沿波导波纹部分传播的SPP模式产生的纵向近场（参照图.1b的中间插图）。然而，很明显，预期的面内场分量的增强是相当有限的，因为金属表面的波纹必须很浅，以不引入显著的额外传播损失散射。最后，我们决定利用波导平面截面边缘支撑的楔形SPP模式30，31（参照图.1b底部插图和图.c）。这种模式，除了增强会导致石墨烯门控诱导的更高调制深度的区域的带边缘附近增强的石墨烯平面内场之外，还具有优越的场约束特性，这在考虑表面等离子体电路的潜在应用时至关重要。图.1d提供了调制实验的大体轮廓：非透明金光栅将光耦合到一种等离子体传播模式，这种模式可受到放置在介电间隔顶部的门控石墨烯的影响，然后运行的等离子体激元通过透明光栅解耦为光。通过这个方法，这样的配置可以减少输入和输出光之间的串扰。
所有这三种等离子体激元-极化激元模式-平面等离子体激元(FPs)，波纹等离子体激元(CPs)和楔形等离子体激元(WPs) ，都可以通过将入射光束移动到耦合器的不同部位来激发（图.2a）。图.2b显示了我们在本研究中研究的设备的光学显微照片，以及显示hBN和石墨烯薄片位置的轮廓。我们检查了等离子体波导在透射和泄漏辐射32，33模式下的工作。楔形和平板型等离子体传播模式的泄漏辐射检测如图.2c所示。图.2c证实了等离子体模式被成功激发并沿着波导传播。为了实验的完备性，图.2d提供了图.2b中蓝色虚线框标记的区域的扫描电子显微镜显微图，其中显示了半透明解耦器和波导的一部分纳米结构区域。作为初步实验，我们对我们的样品进行了AFM研究，以确定hBN晶体的厚度(结果是50-70nm,见补充图1和补充讨论2)，从而推导出在电信波长诱导光学泡利阻塞所需的门控电压（10-16V）。我们还测量了直流石墨烯电阻，将其作为波导平面和波纹区选通电压的函数，以评估石墨烯中电荷中性点（CNP）的位置（），见补充图2和补充讨论3。另外，从补充图3和补充讨论4中描述的拉曼测量中对CNP进行了评估。
图1混合石墨烯等离子体波导调制器的原理。（a）用石墨烯相对电导率表示的光学泡利阻塞。（b）三种被研究的等离子体模式的草图-平坦的，波纹的和楔形的等离子体。白色箭头表示电场的大致方向。（c）楔等离激元模式实验的三维绘制。（d）实验的示意图,不透明的光栅的光到等离子体模式(平坦,波纹或楔),可被封闭的石墨烯影响,黑色层,放置在顶部的绝缘垫片(氮化硼的片状,紫色层),然后被解耦成光通过透明光栅。
利用石墨烯门控调制等离子体波导。这里我们描述一下我们实验的主要结果。采用波长、功率为3mW的通信激光器对等离子体波导进行激励。我们测量了我们的调制器的动态响应，通过将偏置方波电压施加到具有峰间振幅和直流分量的后栅上。图3显示了调制深度特性作为和的函数。比较FP和CP模式的调制深度（图.3a），可以看到CP模式的调制效果明显更强：与FP相比，CP模式的调制深度增加了大约8倍（适用于大的）。在这里，被设置为7.6和6 V，分别用于测量FP和CP模式调制深度。对于FP和CP，我们看到调制深度近似对称的增加，我们认为这是由于CNP的位置（对于FP模式；对于CP模式）。对于其他样本，FP模式的调制比CP模式更不明显（见补充图5和补充讨论6）。通过增加石墨烯与CP模式电场的相互作用，可以显著提高调制深度。事实上，FP的电场纵向分量相当弱，而波纹的存在在脊附近产生了强的局部纵向电场（参见图.1b上的模式示意图，例如参考文献34）。
图2混合石墨烯等离子体波导调制器的等离子体模式（a）所研究的等离子体波导的原理图。红色、绿色和蓝色箭头分别代表WP模式、FP模式和CP模式。（b）本研究中一种典型的杂化石墨烯等离子体调制器的光学显微图。红色、绿色和蓝色箭头分别代表WP、FP和CP模式。用绿色虚线包围的区域代表hBN。用棕色虚线包围的区域代表石墨烯。比例尺为50mu;m。（c）楔板、上面板、平板、下面板、等离子体传播模式的泄漏辐射检测。在原始图像和傅里叶滤波图像中都给出了楔形模式。（d）图b中虚线框所示区域的扫描电子显微图，显示波纹波导和半透明去耦光栅。
WP模式为我们提供了最大的调制深度，在探测波导的顶部边缘时实现，如图.3b所示。与FP和CP类似，WP的调制深度从偏置栅电压对称增加，在这种情况下是接近0V，接近于在递减性测量中观察到的。对于和，我们能够实现的调制深度为0.033dB/mu;m，在相似的参数设置下，分别是最佳CP和FP调制深度的30倍和230倍，如图.3d。值得注意的是，测量到的WP调制深度被低估了，因为，由于样本的几何形状，不可能仅仅激发WP模式- FP模式总是在邻近的平坦区域被激发。因此，检测到的调制WP信号有FP的贡献，但FP的调制程度要低得多。WP模式的调制值比CP（图.3b,d）的调制值增加超过一个数量级，也可以归因于WP模式的面内电场分量增加（在这种情况下，横向），是激发石墨烯电流的关键（见图.1b的模式示意图，补充图4和补充讨论5中关于WP模式更详细的分析）。对WP模式观察到的最大调制深度为12微米调制长度的8.7%。观察到从FP变更到WP结构改进的调制深度变化，与从经典SPP构型转变为覆盖扁平石墨烯层的金属纳米线的估计结果很相似，也就是说，在利用金属表面曲率的影响导致强横向SPP场在石墨烯平面上的非零投影时。我们的混合石墨烯-等离子体波导的最大调制深度为0.03dB/mu;m，比报道的混合石墨烯-硅波导15的调制深度要低（0.1dB/mu;m）。然而，值得注意的是，硅波导技术比等离子体技术要成熟得多。与此同时，我们的混合等离子体波导已经比类似的硅波导更小，而调制深度有望通过专门的设计得到显著提高。
图3混合石墨烯等离子体波导调制器的操作。（a）在dB/mu;m单位下，FP模式（绿色数据点）和CP模式（蓝色数据点）的等离子体激元模式中，调制交流传输波导关于门电压的函数。在频率为6 Hz的FP和CP模式下，交流调制的峰值幅值分别为7.6和6 V。填充的和空的数据点代表两个不同的设备。插图显示了等离子体模式被测量的位置。（b）在dB/mu;m单位下，WP模式（红色数据点）和CP模式（蓝色数据点）的等离子体激元模式中，调制交流传输波导关于门电压的函数。交流调制幅值为6 V，频率为6 Hz。注意到楔形模式的调制信号增加了10倍。填充的和空的数据点代表两个不同的设备。插图显示了等离子体模式被测量的位置。（c）对以下参数得到了理论拟合的楔模调制作为门控的函数的实验数据：峰间调制振幅6 V，频率6 Hz。（d）在dB/mu;m单位下，波导的调制交流传输表
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[262835]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
