[論文レビュー] Polarization Dependent Loss and All-Optical Modulation in Graphene on Suspended Membrane Waveguides

Zhenzhou Cheng, Hon Ki Tsang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2012

Photonic and Optical Devices被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、アンダーレイヤー膜構造を用いたグラフェン-シリコン波ガイドを用いて、偏光依存性光損失および全光的変調を実証している。アポダイズド準周期格子を介してTEモードとTMモードを結合することで、150 µmの波ガイドにおいて1.5 µmでTEモードがTMモードよりも7.7 dB低い損失を達成した。グラフェンの吸収に起因する熱的に誘起される屈折率変化により、効率的な全光的変調が実現された。

ABSTRACT

We observe a strong polarization dependent optical loss of in-plane light propagation in silicon waveguide due to the presence of graphene. Both transverse-electric (TE) and transverse-magnetic (TM) modes are efficiently (~3 dB) coupled to the graphene on suspended membrane waveguides using an apodized focusing subwavelength grating. The TE mode has 7.7 dB less excess optical loss than the TM mode at 1.5 μm for a 150 μm long waveguide in good agreement with a theoretical model. All-optical modulation of light is demonstrated. There is also a large thermally induced change in waveguide effective index because of optical absorption in graphene.

研究の動機と目的

• グラフェンが導波モードと相互作用することで生じるグラフェン-シリコン波ガイドにおける偏光依存性光損失を調査すること。
• グラフェンの光学的吸収および熱的効果を活用して、コンactかつ統合型フォトニクスプラットフォームで全光的変調を実証すること。
• 適切に設計されたアポダイズド準周期格子を用いて、TEモードおよびTMモードの両方を効率的にグラフェンに結合すること。
• TEモードとTMモードの間の余剰損失差を定量し、理論的モデルで検証すること。
• 波ガイドの有効屈折率の熱的変化を介して、グラフェンのアクティブフォトニクス素子への可能性を検討すること。

提案手法

• 光-グラフェン相互作用を強化するために、スラブ膜構造のスピンンシリコンナ nitride膜波ガイドを用いた。
• 導波モードを変調するために、波ガイド表面に150 µmの長さのグラフェン層を統合した。
• TEモードおよびTMモードの両方を効率的にグラフェンに結合するために、アポダイズド焦点化準周期格子を採用した。
• 1.5 µm波長におけるTEモードとTMモードの透過特性を比較することで、偏光依存性損失を測定した。
• グラフェンにおける光吸収に起因する波ガイド有効屈折率の熱的変化を定量した。
• モード結合および損失メカニズムの理論的モデルと実験結果を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.5 µmにおけるグラフェン-シリコン波ガイドにおける偏光依存性損失の大きさはどの程度か？
• RQ2 準周期格子を用いて、TEモードおよびTMモードをどの程度効率的にグラフェンに結合できるか？
• RQ3 グラフェンの吸収が波ガイド有効屈折率に及ぼす熱的駆動変化の程度はどの程度か？
• RQ4 グラフェンの非線形および熱的応答を介して、このプラットフォームで全光的変調を達成できるか？
• RQ5 実験的に測定したTEモードとTMモードの損失差は、理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 150 µmの波ガイド長さで1.5 µm波長において、TEモードはTMモードよりも7.7 dBの余剰損失が小さいことが確認された。
• アポダイズド準周期格子を用いることで、TEモードおよびTMモードの両方がグラフェンに効率的に結合され、結合効率は約3 dBに近い。
• 導波モードとグラフェン層の相互作用により、強い偏光依存性損失が観測された。
• 波ガイド有効屈折率の熱的変化により、実験的に全光的変調が実証された。
• 測定されたTEモードとTMモードの損失差は、理論的モデリングと良好に一致した。
• 本システムは、グラフェンの光学的および熱的特性を活用した、コンパクトで低損失かつアクティブにチューナブルなフォトニクス素子の実現可能性を示した。