[论文解读] Polarization Dependent Loss and All-Optical Modulation in Graphene on Suspended Membrane Waveguides

Zhenzhou Cheng, Hon Ki Tsang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2012

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

该论文通过使用悬挂膜结构，在石墨烯-硅波导中实现了偏振依赖的光损耗和全光调制。通过采用啁嗒啁啾的亚波长光栅耦合TE和TM模式，作者在150 µm波导中实现了1.5 µm波长下TE模比TM模低7.7 dB的损耗，且通过石墨烯吸收引起的热致折射率变化实现了高效的全光调制。

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.

研究动机与目标

• 研究石墨烯与导波光相互作用导致的石墨烯-硅波导中偏振依赖的光损耗。
• 展示利用石墨烯的光学吸收与热效应，在紧凑集成光子平台上实现全光调制。
• 通过定制的啁嗒啁啾亚波长光栅，实现TE和TM模式与石墨烯的高效耦合。
• 量化TE与TM模式之间的附加损耗差异，并通过理论模型进行验证。
• 通过波导有效折射率的热致变化，探索石墨烯在有源光子器件中的潜力。

提出的方法

• 采用悬挂的氮化硅膜波导以增强光与石墨烯的相互作用。
• 在波导表面集成150 µm长的石墨烯层以调制导波光。
• 采用啁嗒啁啾聚焦的亚波长光栅，高效耦合TE和TM模式至石墨烯。
• 通过比较1.5 µm波长下TE与TM模式的传输特性，测量偏振依赖的损耗。
• 量化由于石墨烯中光吸收引起的波导有效折射率的热致变化。
• 通过模式耦合与损耗机制的理论模型验证实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1.5 µm波长下，石墨烯-硅波导中的偏振依赖损耗的大小是多少？
• RQ2 使用亚波长光栅时，TE和TM模式与石墨烯的耦合效率如何？
• RQ3 石墨烯吸收在多大程度上引起波导有效折射率的热致变化？
• RQ4 能否通过石墨烯的非线性和热响应在此平台上实现全光调制？
• RQ5 实验测得的TE与TM模式之间损耗差异与理论预测的符合程度如何？

主要发现

• 在150 µm长的波导中，1.5 µm波长下，TE模比TM模的附加光损耗低7.7 dB。
• 通过啁嗒啁啾亚波长光栅，TE和TM模式均能高效耦合至石墨烯，耦合效率接近3 dB。
• 由于导波模与石墨烯层的相互作用，观察到强烈的偏振依赖损耗。
• 通过波导有效折射率的热致变化，实验验证了全光调制。
• 实验测得的TE与TM模式间损耗差异与理论建模结果高度一致。
• 该系统展示了利用石墨烯的光学与热学特性，实现紧凑、低损耗、可调谐有源光子器件的潜力。