[論文レビュー] Plasmonic instabilities and terahertz waves amplification in graphene metamaterials

Stéphane Boubanga Tombet, Deepika Yadav+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、グラフェンベースのメタマテリアルが、電流駆動型プラズモン不安定性を介して効率的なテラヘルツ波増幅を可能にすることを示している。室温でも最大9%の光学利得を達成した。このメカニズムは、高移動度グラフェンにおける強い光-プラズモン結合を活用し、吸収を抑制することで、従来の光-テラヘルツ変換器よりも2桁高い外部量子効率を実現する。

ABSTRACT

Plasmon oscillations have been intensively studied for more than forty years in conventional two-dimensional electron gas systems in order to find new alternatives to the vacuum devices based on the Smith-Purcell effect in the far-infrared region. However, beside the multiple endeavors, up to date, the plasmon generation in semiconductor heterostructures has been very inefficient. Here we demonstrate that the use of high mobility graphene metamaterials, due to their well-known stronger light-plasmon coupling compared to semiconductor materials can significantly improve the efficiency of far-infrared plasmonic amplifiers and generators. We explore current-driven plasmon dynamics including perfect transparency and light amplification in monolayer graphene structures. Current-induced complete suppression of the graphene absorption is experimentally observed in a broad frequency range followed by a giant amplification (up to about 9 % gain) of an incoming terahertz radiation at room temperature. These active plasmonic processes are triggered by relatively low bias voltage in the graphene devices leading to external quantum efficiency of about two orders of magnitude higher than those of the popular optical-to-terahertz conversion devices largely used in far-infrared technologies. Our results combined with the relatively low level of losses and high degree of spatial confinement of plasmons in graphene will open pathways for a wide range of integrated high speed active optoelectronics devices.

研究の動機と目的

• 遠赤外応用における従来の半導体ヘテロ構造におけるプラズモン生成の非効率性を克服すること。
• モノレイヤー・グラフェンにおける電流駆動型プラズモンダイナミクスを調査し、アクティブなテラヘルツ増幅を実現すること。
• グラフェンベースのデバイスで低バイアス電圧を用いてテラヘルツ放射を顕著に増幅すること。
• 統合型テラヘルツオプトエレクトロニクス素子において、室温動作と高い外部量子効率を実証すること。
• グラフェンの強い光-プラズモン結合性と低損失特性を活用し、実用的で高速なアクティブデバイスを実現すること。

提案手法

• 高移動度モノレイヤー・グラフェンメタマテリアルの使用により、光-プラズモン結合を強化する。
• 電流バイアスを印加してプラズモン不安定性を誘発し、内在的吸収を抑制する。
• バイアス下でのグラフェン構造におけるテラヘルツ透過および増幅を実験的に測定する。
• 広帯域を用いて透過率および利得特性を評価する。
• 室温条件下での外部量子効率および利得レベルを定量的に評価する。
• 完全透過および増幅領域を含むプラズモンダイナミクスの分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンメタマテリアルにおける電流駆動型プラズモン不安定性は、効率的なテラヘルツ波増幅を可能にするか？
• RQ2 グラフェンはどの程度、テラヘルツ帯域で吸収を抑制し、ネットゲインを達成できるか？
• RQ3 グラフェンベースのテラヘルツ増幅器の実現可能な外部量子効率は、従来のデバイスと比べてどの程度か？
• RQ4 低バイアス動作は、グラフェンベースのプラズモン増幅器の性能にどのように影響するか？
• RQ5 グラフェンベースのシステムは、アクティブなテラヘルツデバイスにおいて、高い空間的閉じこめ具合と低損失を実現できるか？

主な発見

• 広帯域にわたり、電流によるグラフェン吸収の抑制が実験的に観測された。
• 室温下で入射テラヘルツ波に対して最大約9%の増幅利得が達成された。
• デバイスの外部量子効率は、一般的な光-テラヘルツ変換デバイスよりも約2桁高い。
• 比較的低いバイアス電圧で増幅効果が誘発され、実用的運用が可能である。
• システムは強い光-プラズモン結合性と低伝播損失を示し、プラズモンの高い空間的閉じこめ具合を実現する。
• 結果は、統合的で高速なアクティブオプトエレクトロニクス素子がテラヘルツ帯域で実現可能であるという道筋を示している。