[논문 리뷰] Polarization Dependent Loss and All-Optical Modulation in Graphene on Suspended Membrane Waveguides

Zhenzhou Cheng, Hon Ki Tsang외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 26.

Photonic and Optical Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 휘어진 막 구조를 사용하여 그래핀-실리콘 웨이브가이드에서 편광에 의존하는 광학적 손실과 올옵티컬 모듈레이션을 입증한다. 아포디제이션된 서브파장 격자로 TE 및 TM 모드를 결합함으로써, 150 µm 길이의 웨이브가이드에서 1.5 µm 파장에서 TE 모드의 손실이 TM 모드보다 7.7 dB 낮아졌으며, 그래핀 흡수에 의해 유도되는 열적 변화에 의해 효율적인 올옵티컬 모듈레이션이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지그재그 모드와의 상호작용으로 인해 그래핀이 유도광에 미치는 영향으로 인한 그래핀-실리콘 웨이브가이드에서의 편광에 의존하는 광학적 손실을 조사하는 것.
• 그래핀의 광학적 흡수와 열적 효과를 이용하여 소형 통합 광학 플랫폼에서 올옵티컬 모듈레이션을 구현하는 것.
• 특수 설계된 아포디제이션된 서브파장 격자를 사용하여 TE 및 TM 모드를 모두 효율적으로 그래핀에 결합하는 것.
• TE 및 TM 모드 간의 초과 손실 차이를 정량화하고 이론적 모델로 검증하는 것.
• 웨이브가이드의 효과적 군집수 변화를 열적으로 유도함으로써 그래핀이 활성 광학 장치에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 빛-그래핀 상호작용을 향상시키기 위해 휘어진 실리콘 질화물 막 웨이브가이드를 사용하였다.
• 유도광을 조절하기 위해 웨이브가이드 표면에 150 µm 길이의 그래핀 층을 통합하였다.
• TE 및 TM 모드를 모두 그래핀에 효율적으로 결합하기 위해 아포디제이션된 집중형 서브파장 격자를 활용하였다.
• 1.5 µm 파장에서 TE 및 TM 모드의 전송를 비교하여 편광에 의존하는 손실을 측정하였다.
• 그래핀에서의 광학 흡수로 인한 웨이브가이드 효과적 군집수의 열적 변화를 정량화하였다.
• 모드 결합 및 손실 메커니즘의 이론적 모델로 실험 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.5 µm 파장에서 그래핀-실리콘 웨이브가이드에서 편광에 의존하는 손실의 크기는 얼마인가?
• RQ2 서브파장 격자를 사용하여 TE 및 TM 모드를 그래핀에 얼마나 효율적으로 결합할 수 있는가?
• RQ3 그래핀 흡수로 인해 유도되는 열적 변화가 웨이브가이드 효과적 군집수에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 이 플랫폼에서 그래핀의 비선형성 및 열적 반응을 통해 올옵티컬 모듈레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실험적으로 측정한 TE 및 TM 모드 간의 손실 차이가 이론적 예측과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 150 µm 길이의 웨이브가이드에서 1.5 µm 파장에서 TE 모드는 TM 모드보다 7.7 dB 더 낮은 초과 광학적 손실을 나타낸다.
• 아포디제이션된 서브파장 격자를 사용하여 TE 및 TM 모드가 모두 그래핀에 효율적으로 결합되었으며, 결합 효율은 약 3 dB에 가까웠다.
• 유도 모드와 그래핀 층 간의 상호작용으로 인해 강한 편광에 의존하는 손실이 관측되었다.
• 웨이브가이드 효과적 군집수의 열적 변화를 통해 올옵티컬 모듈레이션이 실험적으로 입증되었다.
• 측정된 TE 및 TM 모드 간의 손실 차이는 이론적 모델링과 양호한 일치를 보였다.
• 이 시스템은 그래핀의 광학적 및 열적 성질을 활용하여 소형, 저손실, 활성 조절이 가능한 광학 장치의 잠재력을 보여주었다.