[论文解读] A Guide for Material and Design Choices for Electro-Optic Modulators and recent 2D-Material Silicon Modulator Demonstrations

Rubab Amin, Mario Zhizhen+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文全面介绍了将石墨烯和过渡金属二硫属化物（TMDs）等新兴二维材料集成到硅光子平台中的材料与设计选择，针对电光调制器提供了系统性指导。研究展示了基于异质集成的低能耗、紧凑型调制器，包括基于ITO的马赫-曾德尔调制器、石墨烯混合等离子体器件，以及首个基于TMD的微环谐振器调制器，展示了实现低功耗、高速光互连的可行路径。

ABSTRACT

Electro-optic modulation performs a technological relevant functionality such as for communication, beam steering, or neuromorphic computing through providing the nonlinear activation function of a perceptron. Wile Silicon photonics enabled the integration and hence miniaturization of optoelectronic devices, the weak electro-optic performance of Silicon renders these modulators to be bulky and power-hungry compared to a single switch functionality known from electronics. To gain deeper insights into the physics and operation of modulators hetero-generous integration of emerging electro-optically active materials could enable separating light passive and low-loss light routing from active light manipulation. Here we discuss and review our recent work on a) fundamental performance vectors of electro-optic modulators, and b) showcase recent development of heterogeneous-integrated emerging EO materials into Si-photonics to include an ITO-based MZM, a Graphene hybrid-plasmon and the first TMD-MRR modulator using a microring resonator. Our results indicate a viable path for energy efficient and compact Silicon photonic based modulators.

研究动机与目标

• 解决硅材料电光响应弱的问题，该问题限制了光子集成电路的微型化和能效提升。
• 探索将新兴电光活性二维材料（如石墨烯和TMDs）通过异质集成方式引入硅光子学，以提升调制器性能。
• 为下一代电光调制器提供系统性的材料与设计选择指南。
• 在硅光子平台上实现基于ITO、石墨烯和TMDs的原理验证器件。
• 识别出一条实现紧凑、低能耗、高速度光调制器的可行路径，适用于通信与类脑计算应用。

提出的方法

• 评估电光调制器的基本性能指标，包括带宽、能效和消光比。
• 采用异质集成技术，将ITO、石墨烯和过渡金属二硫属化物（TMDs）等材料与硅波导结合。
• 采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构，利用基于ITO的相位调制器实现电光调制。
• 设计一种集成石墨烯的混合等离子体波导结构，以增强光-物质相互作用并减小器件尺寸。
• 采用微环谐振器（MRR）平台，并利用单层TMD（如MoS2）通过量子限域斯塔克效应实现电光调制。
• 结合理论分析与仿真，辅以实验验证，以评估器件性能与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过将新兴二维材料集成到硅光子学中，克服硅材料电光响应弱的问题？
• RQ2 实现低能耗、紧凑型电光调制器的最佳材料与器件设计选择是什么？
• RQ3 ITO、石墨烯和TMDs能否有效集成到硅光子平台中，以实现高效的电光调制？
• RQ4 这些异质结构可实现的性能指标（如带宽、能效、消光比）是什么？
• RQ5 是否存在一条可扩展且实用的路径，通过基于二维材料的调制器实现能效高效的光互连？

主要发现

• 基于ITO的马赫-曾德尔调制器展现出低传输损耗和高电光效率，实现了紧凑且低能耗的运行。
• 石墨烯混合等离子体调制器实现了强光-物质相互作用和亚微米级器件尺寸，支持高速调制且功耗极低。
• 首次实验实现了基于TMD的微环谐振器（MRR）调制器，采用单层过渡金属二硫属化物，通过斯塔克效应清晰展示了电光调谐特性。
• 调制器表现出高消光比和低串扰，显示出在光子集成电路中高度集成的潜力。
• 将二维材料集成到硅光子学中，显著减小了器件尺寸和单位比特能耗，性能已接近电子开关水平。
• 结果验证了一条可扩展且能效高效的路径，适用于下一代通信与类脑计算中的光互连。