[논문 리뷰] Hybrid graphene plasmonic waveguide modulators

D. Ansell, Benjamin D. Thackray외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 15.

Photonic and Optical Devices인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 그래핀의 조절 가능한 광학적 성질과 플라스모닉 구조를 활용하여 표면 플라스몬 근원을 이용한 소형화된 빛의 봉쇄를 실현하는 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드 모듈레이터를 제안한다. 그래핀을 플라스모닉 웨이브가이드와 통합함으로써, 통신 및 가까운 적외선 파장에서 효율적이고 전기적으로 조절 가능한 모듈레이션을 구현하였으며, 높은 외부 감쇠 비율과 낮은 전파 손실을 달성하여, 광통신을 위한 온칩 광학 통합을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀의 조절 가능한 전도도와 플라스모닉 웨이브가이드 구조를 융합하여, 더 나은 빛의 봉쇄를 위한 새로운 유형의 능동 광학 장치를 개발하기 위해.
• 기존의 그래핀 광학 모듈레이터의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉 필드 증폭 효과를 활용하여 모듈레이션 효율을 향상시키기 위해.
• 통신 및 가까운 적외선 파장에서 고성능 광학 모듈레이션을 위한 가장 효과적인 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드 기하 구조를 규명하고 실험적으로 입증하기 위해.
• 미래의 광통신 시스템을 위한 효율적이고 전기적으로 조절 가능한 플라스모닉 장치의 온칩 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 전자선 리소그래피 및 전이 기술을 사용하여 그래핀을 플라스모닉 금속 구조와 통합하는 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드 구조를 제작하기 위해.
• 그래핀의 페르미 수준을 동적으로 조절하기 위해 전기 게이팅을 적용하여, 그래핀의 광학 전도도와 플라스모닉 모드와의 상호작용을 조절하기 위해.
• 표면 플라스모닉 폴라리톤의 전파 및 모듈레이션을 특성화하기 위해 근접장 스캐닝 광학 현미경(NSOM)과 원거리 측정을 활용하기 위해.
• 봉쇄도, 전파 손실, 외부 감쇠 비율 등의 성능 지표를 평가하기 위해 다양한 웨이브가이드 기하 구조(예: 금속 상단의 그래핀 스트립, 그래핀 릿지, 하이브리드 릿지-플라스모닉 구조)의 설계 및 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 웨이브가이드의 모드 프로파일과 그래핀의 플라스모닉 반응 간의 상호작용을 분석하여, 전자기장 겹침과 모듈레이션 깊이를 최적화하기 위해.
• 게이팅 전압를 다양하게 적용하여 모듈레이션 깊이, 대역폭 및 에너지 효율성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 파장에서 전자기장 봉쇄도, 전파 손실, 모듈레이션 효율성 사이의 최적 균형을 제공하는 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드 기하 구조는 무엇인가?
• RQ2 그래핀의 전기 게이팅이 하이브리드 웨이브가이드에서 표면 플라스모닉 폴라리톤의 전파를 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ3 그래핀을 플라스모닉 구조와 통합함으로써, 기존의 단순 그래핀 전용 모듈레이터에 비해 외부 감쇠 비율과 대역폭 효율성이 얼마나 향상되는가?
• RQ4 근적외선 및 통신 파장에서 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드에서 달성 가능한 최대 모듈레이션 깊이와 그에 해당하는 전파 손실은 얼마인가?

주요 결과

• 하이브리드 그래핀-플라스모닉 웨이브가이드 모듈레이터는 1550 nm 파장에서 10 dB를 초과하는 외부 감쇠 비율을 달성하여 효과적인 빛의 모듈레이션을 입증하였다.
• 장치는 약 3.5 dB/mm의 전파 손실을 보이며, 이는 온칩 통합 및 실용적인 광학 회로에 적합하다.
• 그래핀의 전기 게이팅을 통해 플라스모닉 모드를 동적으로 조절할 수 있었으며, 웨이브가이드 전역에서 전송 강도의 측정 가능한 변화가 관찰되었다.
• 시험된 기하 구조 중에서 그래핀-릿지 플라스모닉 구조가 가장 높은 전자기장 봉쇄도를 보였으며, 모듈레이션 깊이와 전파 손실 사이의 최적의 상충 관계를 확보하였다.
• 장치는 근적외선 및 통신 C밴드에서 효율적으로 작동하여 섬유 기반 광통신 시스템에 적합하다.
• 개념 증명 결과는 고속 광신호 처리를 위한 온칩 광학 통합을 위한 그래핀 기반 능동 플라스모닉 장치의 실현 가능성을 확인하였다.