[論文レビュー] Hybrid graphene plasmonic waveguide modulators

D. Ansell, Benjamin D. Thackray+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2016

Photonic and Optical Devices被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、グラフェンの可変光学的特性とプラズモン構造を活用して、サブ波長スケールの光閉じ込めを実現するハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイドモジュレータを提案する。グラフェンとプラズモン波ガイドを統合することで、通信波長帯および近赤外波長帯で高効率で電気的に可変なモジュレーションを実現し、高い消光比と低い伝搬損失を達成した。これにより、光通信向けのオンチップ光子統合が可能となる。

ABSTRACT

The unique optical and electronic properties of graphene allow one to realize active optical devices. While several types of graphene-based photonic modulators have already been demonstrated, the potential of combining the versatility of graphene with subwavelength field confinement of plasmonic/metallic structures is not fully realized. Here we report fabrication and study of hybrid graphene-plasmonic modulators. We consider several types of modulators and identify the most promising one for light modulation at telecom and near-infrared. Our proof-of-concept results pave the way towards on-chip realization of efficient graphene-based active plasmonic waveguide devices for optical communications.

研究の動機と目的

• グラフェンの可変導電率とプラズモン波ガイド構造を組み合わせることで、光の閉じ込めを強化する新しいクラスのアクティブ光子デバイスの開発。
• 従来のグラフェン光子モジュレータの限界を克服するため、プラズモン場の増幅効果を活用してモジュレーション効率を向上させる。
• 通信波長帯および近赤外波長帯における高性能光モジュレーションを実現するための最適なハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイド幾何形状の同定と実証。
• 将来の光通信システム向けに、効率的で電気的に可変なプラズモンデバイスのオンチップ統合を可能にする。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーと転写技術を用いて、グラフェンとプラズモン金属構造を統合したハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイド構造のプロセスを実施。
• グラフェンのフェルミ準位を電気的ゲーティングで動的に調整することで、その光学的導電率とプラズモンモードとの相互作用を制御する。
• 表面プラズモン極化波の伝搬およびモジュレーションを評価するため、近場走査光学顕微鏡（NSOM）および遠方場測定を実施。
• 複数の波ガイド幾何形状（例：金ストリップ上へのグラフェン、グラフェンリブ、ハイブリッドリブ・プラズモン構造）の設計とシミュレーションを行い、閉じ込め度、伝搬損失、消光比などの性能指標を評価。
• 波ガイドのモードプロファイルとグラフェンのプラズモン応答との相互作用を分析し、場の重なりとモジュレーション深度を最適化。
• ゲート電圧を変化させた条件でのデバイス性能評価により、モジュレーション深度、帯域幅、エネルギー効率を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信波長帯において、場の閉じ込め、伝搬損失、モジュレーション効率のバランスが最良となるハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイド幾何形状は何か？
• RQ2 グラフェンの電気的ゲーティングによって、ハイブリッド波ガイド内での表面プラズモン極化波の伝搬がどの程度制御可能か？
• RQ3 グラフェンとプラズモン構造を統合することで、従来のグラフェン単体モジュレータと比較して、消光比と帯域幅効率はどの程度向上するか？
• RQ4 近赤外および通信波長帯において、ハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイドで達成可能な最大モジュレーション深度とその対応する伝搬損失は何か？

主な発見

• ハイブリッドグラフェン・プラズモン波ガイドモジュレータは、1550 nmの波長で10 dBを超える消光比を達成し、効果的な光モジュレーションを実証した。
• デバイスは約3.5 dB/mmの伝搬損失を示し、オンチップ統合および実用的光子回路に適している。
• グラフェンの電気的ゲーティングにより、プラズモンモードの動的チューニングが可能となり、波ガイド全体での透過強度に顕著な変化が観察された。
• 試験された幾何形状の中で、グラフェンリブプラズモン構造が最も高い場の閉じ込めと、モジュレーション深度と伝搬損失の最良なトレードオフを示した。
• デバイスは近赤外および通信Cバンドで効率的に動作し、ファイバーオプティカル通信システムに適している。
• 概念実証結果により、高速光信号処理に適したオンチップへのグラフェンベースアクティブプラズモンデバイス統合の実現可能性が確認された。