[논문 리뷰] Plasmonic instabilities and terahertz waves amplification in graphene metamaterials

Stéphane Boubanga Tombet, Deepika Yadav외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 14.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전류 구동 플라스모닉 불안정성을 통해 그래핀 기반 메타물질이 실온에서 9%에 이르는 광학 이득을 달성할 수 있는 효율적인 테라헤르츠 파장 증폭을 가능하게 한다. 이 메커니즘은 고이동도 그래핀에서 강한 빛-플라스몬 결합을 이용하여 흡수를 억제하고, 기존의 광-테라헤르츠 변환 장치보다 약 두 개의 주기 높은 외부 양자 효율을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원거리 적외선 응용 분야에서 전통적인 반도체 이중층에서의 플라스몬 생성의 비효율성을 극복하기 위해.
• 활성 테라헤르츠 증폭을 위한 단일층 그래핀에서의 전류 구동 플라스몬 역학을 탐색하기 위해.
• 그래핀 기반 장치에서 저전압을 이용해 테라헤르츠 복사의 상당한 증폭을 달성하기 위해.
• 통합 테라헤르츠 온오피크트로닉 장치를 위한 실온 동작과 고외부 양자 효율을 입증하기 위해.
• 실용적이고 고속의 활성 장치를 위해 그래핀의 강한 빛-플라스몬 결합성과 낮은 손실을 활용하기 위해.

제안 방법

• 고이동도 단일층 그래핀 메타물질을 활용하여 빛-플라스몬 결합을 향상시키기 위해.
• 전류 편향을 적용하여 플라스모닉 불안정성을 유도하고 내재된 흡수를 억제하기 위해.
• 편향 조건 하에서 그래핀 구조물의 테라헤르츠 투과도 및 증폭 특성을 실험적으로 측정하기 위해.
• 투과도 및 이득 특성 평가를 위해 넓은 주파수 범위를 활용하기 위해.
• 실온 조건에서의 외부 양자 효율 및 이득 수준을 정량화하기 위해.
• 완벽한 투과도 및 증폭 영역을 포함한 플라스몬 역학 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 메타물질에서 전류 구동 플라스모닉 불안정성이 효율적인 테라헤르츠 파장 증폭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 그래핀이 테라헤르츠 대역에서 흡수를 얼마나 효과적으로 억제하고 순수 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ3 기존 장치와 비교해 그래핀 기반 테라헤르츠 증폭기의 실현 가능한 외부 양자 효율은 어느 정도인가?
• RQ4 저전압 작동이 그래핀 기반 플라스모닉 증폭기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 그래핀 기반 시스템이 활성 테라헤르츠 장치에서 높은 공간 구속성과 낮은 손실을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 전류에 의해 유도된 그래핀 흡수 억제 현상이 넓은 주파수 범위에서 실험적으로 관측되었다.
• 실온에서 입사하는 테라헤르츠 복사에 대해 최대 약 9%의 증폭 이득이 달성되었다.
• 장치의 외부 양자 효율은 인기 있는 광-테라헤르츠 변환 장치보다 약 두 개의 주기 높았다.
• 상당히 낮은 편향 전압으로도 증폭 효과가 유도되어 실용적인 작동이 가능해졌다.
• 시스템은 강한 빛-플라스몬 결합성과 낮은 전파 손실을 보이며 플라스몬의 고공간 구속성을 가능하게 했다.
• 결과적으로, 테라헤르츠 대역에서 통합형 고속 활성 온오피크트로닉 장치를 위한 실현 가능한 길을 제시하였다.