[论文解读] Hybrid graphene plasmonic waveguide modulators

D. Ansell, Benjamin D. Thackray+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2016

Photonic and Optical Devices被引用 9

一句话总结

本文提出了一种混合石墨烯-等离子体波导调制器，利用石墨烯可调谐的光学特性与等离子体结构实现亚波长光限制。通过将石墨烯与等离子体波导集成，作者展示了在通信波段和近红外波段实现高效、电可调制的光调控，获得高消光比和低传播损耗，为光通信的片上光子集成提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 通过将石墨烯的可调谐电导率与等离子体波导结构结合，开发一类新型有源光子器件，以增强光限制。
• 通过利用等离子体场增强效应，解决传统石墨烯光子调制器的局限性，以提高调制效率。
• 识别并展示在通信波段和近红外波段实现高性能光调制的最有效混合石墨烯-等离子体波导几何结构。
• 实现高效、电可调谐等离子体器件的片上集成，以支持未来光通信系统。

提出的方法

• 使用电子束光刻和转移技术制造混合石墨烯-等离子体波导结构，将石墨烯与金属等离子体结构集成。
• 采用电栅调控动态调节石墨烯的费米能级，从而调制其光学电导率及与等离子体模式的相互作用。
• 利用近场扫描光学显微镜（NSOM）和远场测量表征表面等离子体极化激元的传播与调制特性。
• 设计并仿真多种波导几何结构（如石墨烯-金条带、石墨烯肋条、以及混合肋条-等离子体结构），以评估限制因子、传播损耗和消光比等性能指标。
• 分析石墨烯的等离子体响应与波导模式分布之间的相互作用，以优化场重叠度和调制深度。
• 在不同栅压下评估器件性能，以确定调制深度、带宽和能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在通信波段，哪种混合石墨烯-等离子体波导几何结构在场限制、传播损耗和调制效率之间实现了最佳平衡？
• RQ2 对石墨烯进行电栅调控在多大程度上可调制混合波导中表面等离子体极化激元的传播？
• RQ3 与传统仅含石墨烯的调制器相比，石墨烯与等离子体结构的集成在提高消光比和带宽效率方面有何增强效果？
• RQ4 在近红外和通信波段，混合石墨烯-等离子体波导中可实现的最大调制深度及其对应的传播损耗是多少？

主要发现

• 该混合石墨烯-等离子体波导调制器在1550 nm波长下实现了超过10 dB的消光比，证明了有效的光调制。
• 该器件的传播损耗约为3.5 dB/mm，与片上集成及实际光子电路兼容。
• 石墨烯的电栅调控可实现对等离子体模式的动态调制，导致波导中传输强度发生可测量的变化。
• 在所测试的几何结构中，石墨烯-肋条等离子体结构表现出最高的场限制能力，并在调制深度与传播损耗之间实现了最佳平衡。
• 该调制器在近红外及通信C波段均表现出高效工作性能，适用于光纤通信系统。
• 概念验证结果证实了在芯片上集成基于石墨烯的有源等离子体器件以实现高速光信号处理的可行性。