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Jul 11, 2023

Hocheffizienter Graphen-Terahertz-Modulator mit einstellbarer elektromagnetisch induzierter Transparenz

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6680 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Optische Modulatoren auf Graphenbasis wurden aufgrund der hohen Mobilität und der einstellbaren Permittivität von Graphen ausführlich untersucht. Allerdings erschweren schwache Graphen-Licht-Wechselwirkungen das Erreichen einer hohen Modulationstiefe bei geringem Energieverbrauch. Hier schlagen wir einen leistungsstarken optischen Modulator auf Graphenbasis vor, der aus einer photonischen Kristallstruktur und einem Wellenleiter mit Graphen besteht, der ein elektromagnetisch induziertes Transparenz-ähnliches (EIT-ähnliches) Übertragungsspektrum bei Terahertz-Frequenz aufweist. Der Führungsmodus mit hohem Qualitätsfaktor zur Erzeugung der EIT-ähnlichen Übertragung verbessert die Licht-Graphen-Wechselwirkung, und der entworfene Modulator erreicht eine hohe Modulationstiefe von 98 % mit einer deutlich kleinen Fermi-Niveauverschiebung von 0,05 eV. Das vorgeschlagene Schema kann in aktiven optischen Geräten verwendet werden, die einen geringen Stromverbrauch erfordern.

Der Terahertz (THz)-Spektralbereich von 0,1–10 THz ist aufgrund seiner potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Sicherheitsbildgebung, drahtloser Hochgeschwindigkeitskommunikation und biomedizinischer Diagnostik ein wichtiges Frequenzband1,2,3. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden bei der Erzeugung und Erkennung von THz-Quellen erhebliche Fortschritte erzielt und die Entwicklung von THz-Technologien wiederbelebt4. In letzter Zeit gab es eine rasante Entwicklung bei den THz-Metamaterialgeräten5,6,7,8. Es bedarf jedoch noch weiterer Forschung zu fortschrittlichen Komponenten im THz-Bereich. Insbesondere optische THz-Modulatoren, die wichtige Geräte zur aktiven Steuerung von THz-Signalen sind, sind für die THz-Kommunikation und -Bildgebung von entscheidender Bedeutung9,10,11,12. Obwohl Arten von optischen THz-Modulatoren auf Basis von Halbleitermaterialien vorgeschlagen wurden13,14, sind ihre Modulationstiefen nicht ausreichend hoch.

In jüngster Zeit hat Graphen aufgrund seiner mehreren außergewöhnlichen Eigenschaften, wie z. B. hoher Wärmeleitfähigkeit, bemerkenswerter Ladungsträgermobilität und großer optischer Bandbreite, große Aufmerksamkeit erregt15,16,17. Insbesondere die optischen Eigenschaften von Graphen können leicht durch die Gate-Spannung gesteuert werden18. Diese Abstimmbarkeit ermöglicht die Anwendung von Graphen in optischen Modulatoren als aktive Schicht. Die hohe Trägermobilität in der Größenordnung von 106 cm/Vs ermöglicht schnelle Reaktionen auf elektromagnetische Felder. Darüber hinaus können kostengünstige Modulatoren auf Graphenbasis mit dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) realisiert werden. Kürzlich wurde in mehreren Studien über eine hochwertige, großflächige Graphen-Einzelschicht berichtet, die durch CVD gezüchtet wurde 19,20,21,22. Allerdings weist suspendiertes einschichtiges Graphen bei normalem Einfall eine vernachlässigbare Absorption von 2,3 % auf, und der einstellbare Effekt ist aufgrund der geringen Licht-Graphen-Wechselwirkung, die ein erhebliches Hindernis darstellt, nicht stark genug für drastische Schwankungen der Absorption, Transmission oder Reflexion bei der Erzielung einer hohen Modulationsleistung.

Um die Licht-Graphen-Wechselwirkung zu verbessern, wurden Graphenplasmonen eingeführt23,24. Im THz- und mittleren Infrarotbereich unterstützt Graphen Oberflächenplasmonen, und die Eigenschaften der plasmonischen Moden können durch Anpassen des Fermi-Niveaus abgestimmt werden. Es wurde über mehrere Arten optischer Modulatoren berichtet, die Graphenplasmonen und Metamaterialien nutzen und eine hohe Modulationstiefe aufweisen25,26,27,28,29,30,31,32,33. Allerdings ist hochwertiges (hochmobiles) Graphen erforderlich, um eine plasmonische Resonanz mit hohem Qualitätsfaktor (Q-Faktor) zu induzieren. Darüber hinaus ist eine Graphendotierung auf hohem Fermi-Niveau (> 0,4 ​​eV) erforderlich, um eine hohe Modulationsleistung zu erreichen, was den Stromverbrauch erhöht. Ein weiterer Ansatz zur Steigerung der Licht-Graphen-Wechselwirkung ist die Nutzung des Epsilon-Near-Zero-Effekts (ENZ)34,35. Wenn die Permittivität von Graphen etwa Null beträgt, ist das elektrische Feld stark auf die Graphenschicht beschränkt, wodurch die Absorption erhöht wird. Der ENZ-Effekt in Graphen muss jedoch noch experimentell nachgewiesen werden und wird heftig diskutiert36. Das Einfügen einer Graphenschicht in einen Resonator, der einen hohen Q-Faktor unterstützt, kann die Licht-Graphen-Wechselwirkung verbessern37,38,39,40. Für den Wellenlängenbereich der optischen Kommunikation wurden beispielsweise optische Modulatoren vorgeschlagen, bei denen die Graphenschicht in photonischen Kristallstrukturen (PC) angeordnet ist, oder Ringresonatoren, die eine Resonanz mit hohem Gütefaktor unterstützen. Studien zu optischen Modulatoren, die Graphen und Resonatoren mit hohem Q-Faktor im THz-Frequenzband kombinieren, sind jedoch unzureichend.

Hier demonstrieren wir numerisch einen optischen Modulator mit niedriger Spannung und hoher Modulationstiefe, indem wir zwei Graphenschichten in eine Struktur einfügen, die eine elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT)-ähnliche Übertragung unterstützt. EIT ist ein Übertragungsphänomen mit einem sehr schmalen Band aufgrund destruktiver Quanteninterferenz41. Obwohl die Realisierung von EIT aufgrund strenger experimenteller Bedingungen schwierig ist, kann durch die Kopplung zweier Resonatoren eine EIT-ähnliche spektrale Reaktion erhalten werden41,42,43,44. Wir zeigen, dass der Führungsmodus mit hohem Q-Faktor zur Erzeugung einer EIT-ähnlichen Übertragung die Licht-Graphen-Wechselwirkung verstärkt und die Übertragung durch eine vernachlässigbare Verschiebung des Fermi-Niveaus drastisch verändert werden kann. Der vorgeschlagene Modulator erreicht eine hohe Modulationstiefe von ~ 98,2 % bei einer Fermi-Niveauverschiebung von 0,05 eV. Daher schließen wir, dass der vorgeschlagene Modulator in vielen Bereichen, beispielsweise in der THz-Bildgebung und -Kommunikation, äußerst wünschenswert ist. Alle Simulationen wurden mit der Finite-Elemente-Methode (COMSOL Multiphysics-Software) durchgeführt.

Abbildung 1a zeigt ein Schema des vorgeschlagenen optischen Modulators auf Graphenbasis, der einen zweidimensionalen (2D) stabförmigen PC und zwei Wellenleiter (Wtop und Wbot) mit einer Lücke umfasst. Der PC besteht aus quadratischen Säulen mit der Breite wpc und der Höhe tpc und wird auf dem oberen Wellenleiter platziert. Die Brechungsindizes von SiO2 und dem Hintergrundmaterial werden mit nSiO2 = 2 bzw. nb = 1 angenommen. Der Brechungsindex von SiO2 variiert im THz-Bereich zwischen 1,953 und 2,108, abhängig von der Abscheidungsmethode45,46. Der Imaginärteil des Brechungsindex von SiO2 ist vernachlässigbar, da er viel kleiner ist als der Brechungsindex von Graphen. Auf dem unteren Wellenleiter werden zwei einschichtige Graphenschichten mit einem 10 nm großen SiO2-Lücke platziert. Das elektrische Dotierungsniveau (Fermi-Niveau, EF) von Graphen wird durch die Abstimmung der Gate-Spannung gesteuert. Wenn also der Dotierungspegel der oberen Graphenschicht auf EF = E0 eV eingestellt wird, wird der der unteren Graphenschicht auf EF = −E0 eV eingestellt. Da die beiden Graphenschichten als aktive Schichten fungieren, kann die Struktur daher die Wirkung von Graphen verstärken. Im Parallelplattenkondensatormodell nimmt die erforderliche Gate-Spannung zur Einstellung eines bestimmten EF mit abnehmendem Abstand zwischen den Graphenschichten ab.

(a) Schematische Darstellung eines optischen Modulators auf Graphenbasis. Der Modulator besteht aus einem 2D-PC und zwei durch einen Luftspalt getrennten SiO2-Wellenleitern; Darüber hinaus sind zwei Graphenschichten auf dem unteren Wellenleiter mit deutlich dünnem SiO2-Lücke platziert. (b) Typisches dreistufiges Λ-Schema für EIT.

Abbildung 1b zeigt eine typische Λ-Konfiguration für die Beobachtung von EIT in einer Atomstruktur. Wenn das Λ-System mit einem Sondenstrahl mit einem starken Kontrollfeld beleuchtet wird, kann die Population über zwei verschiedene Wege von |1⟩ nach |2⟩ gelangen: (A) |1⟩→|2⟩ (direkter Weg) oder (B ) |1⟩→|2⟩→|3⟩→|2⟩ (Kreisbahn). EIT tritt aufgrund der quantenzerstörerischen Interferenz zwischen den Wahrscheinlichkeitsamplituden für die beiden unterschiedlichen Pfade (A) und (B) auf, vorausgesetzt, dass die Abklingrate von |3⟩ relativ kleiner ist als die von |2⟩47. Es ist bekannt, dass das EIT-ähnliche Übertragungsspektrum durch die Kopplung von Resonanzmoden mit hohem und niedrigem Q-Faktor erhalten werden kann. Die vorgeschlagene photonische Kristallstruktur (ohne Graphen- und SiO2-Schichten) regt gleichzeitig Moden mit hohem und niedrigem Q-Faktor im oberen bzw. unteren Wellenleiter an. Wir stellen fest, dass die Modi mit niedrigem und hohem Q in der vorgeschlagenen photonischen Struktur den Zuständen |2⟩ bzw. |3⟩ in der Atomstruktur entsprechen. Unsere früheren Arbeiten berichteten über die Details der Phasenanpassungsbedingung, um eine EIT-ähnliche Übertragung und die damit verbundene Dispersionsbeziehung der vorgeschlagenen Struktur zu erzeugen 44, 47. Durch die Nutzung der High-Q-Modi, die starke Licht-Materie-Wechselwirkungen ermöglichen, kann die Modulationseffizienz der übertragenen THz-Welle verbessert werden.

Abbildung 2 zeigt die Transmissionsspektren der entworfenen Struktur für die Variation des Fermi-Niveaus von EF = 0–0,01 eV, wenn eine THz-Welle normalerweise auf die Struktur einfällt. Für die Periode, Breite und Dicke des PC wird angenommen, dass sie a = 218 μm, wpc = 0,7a bzw. tpc = 0,2a beträgt. Die Dicken des oberen und unteren Wellenleiters betragen t1 = 0,25a bzw. t2 = 0,361a und die Spaltgröße beträgt g = 0,8a.

Transmissionsspektren für Fermi-Niveauvariation von EF = 0–0,01 eV. Die Periodenstruktur beträgt a = 218 μm und die Breite und Höhe des photonischen Kristalls betragen wpc = 0,7a bzw. tpc = 0,2a. Die Dicken des oberen und unteren Wellenleiters betragen t1 = 0,25a bzw. t2 = 0,361a und die Spaltgröße beträgt g = 0,8a.

Es wird beobachtet, dass der EIT-ähnliche Transmissionspeak mit einem hohen Q-Faktor (~ 544) bei f = 1,002 THz auftritt und der Transmissionspeak aufgrund der starken Licht-Graphen-Wechselwirkung deutlich abnimmt, wenn das Fermi-Niveau bei dieser Frequenz ansteigt der hohe Q-Faktor. Im Gegensatz dazu ist die Transmissionsschwankung für die Fermi-Niveauschwankung bei der Frequenz außerhalb des Transmissionspeakbereichs aufgrund der schwachen Licht-Graphen-Wechselwirkung vernachlässigbar.

Die Transmissions-, Reflexions- und Absorptionskurven bei der EIT-Frequenz (f = 1,002 THz) sind in Abb. 3a dargestellt. Bei dieser Frequenz ist das sich im PC ausbreitende Licht stark an den unteren Wellenleiter gekoppelt, und das gekoppelte Licht breitet sich lange Zeit durch den unteren Wellenleiter aus, was zu einer stark verstärkten Licht-Graphen-Wechselwirkung führt. Mit anderen Worten: Das EIT-Phänomen erhöht die Absorption bei Verwendung von Graphen erheblich. Hier wird die Absorption durch den Ausbreitungsverlust des unteren Wellenleiters und die Kopplungseffizienz bestimmt, also die Effizienz der Leistungsübertragung vom oberen zum unteren Wellenleiter.

(a) Transmissions-, Reflexions- und Absorptionskurven des Modulators bei der EIT-ähnlichen Übertragungsfrequenz. (b) Ausbreitungslänge des unteren Wellenleiters mit einer fünfschichtigen Struktur (Luft – SiO2 (t2) – Graphen – SiO2 (10 m) – Graphen – Luft). (c) Elektrische Feldverteilung des Modulators für Fermi-Niveauvariationen von EF = 0 eV, 0,0064 eV, 0,01 eV bzw. 0,1 eV.

Abbildung 3b zeigt die Ausbreitungslänge (PL = 0,5/Im(β)) des unteren Wellenleiters für die Variation des Fermi-Niveaus, die durch die numerische Analyse des eindimensionalen Wellenleiters durch Lösen der Maxwell-Gleichungen berechnet wird. β ist der Wellenvektor des geführten Modus mit hoher Güte im unteren Wellenleiter, der eine fünfschichtige Struktur umfasst (Luft – SiO2 (t2) – Graphen – SiO2 (10 m) – Graphen – Luft). Wenn das Fermi-Niveau steigt, nimmt der PL ab, da der Imaginärteil der Permittivität von Graphen mit zunehmendem Fermi-Niveau zunimmt. Darüber hinaus nimmt der PL ab EF = 0–0,007 eV abrupt ab. Dies impliziert, dass der Verlust durch Graphen in diesem Fermi-Niveaubereich schnell zunimmt.

Darüber hinaus veranschaulichen wir die Feldverteilungen für die Variation des Fermi-Niveaus in Abb. 3c. Wenn das Fermi-Niveau EF = 0 eV beträgt, wird das meiste Licht in den unteren Wellenleiter eingekoppelt und das elektrische Feld ist im unteren Wellenleiter stark eingeschränkt. Im Gegensatz dazu wird mit zunehmendem Fermi-Niveau weniger einfallendes Licht in den unteren Wellenleiter eingekoppelt und das elektrische Feld wird auf den oberen Wellenleiter beschränkt, was auf die Zunahme der Wellenvektor- und Modenfehlanpassungen zurückzuführen ist. Daher nimmt der Ausbreitungsverlust mit zunehmendem Fermi-Niveau ab. Die Absorption hat ihren Maximalwert bei EF = 0,0064 eV. Unterhalb dieses Fermi-Niveaus ist der Ausbreitungsverlust der dominierende Faktor für die Absorption, während bei höheren Fermi-Niveaus die Kopplungseffizienz der Hauptfaktor für die Absorption ist.

Abbildung 4 zeigt die Übertragungs- und Modulationstiefe als Funktion des Fermi-Niveaus. Die Modulationstiefe ist definiert als MD = (Ton–Toff)/Ton. Wenn wir davon ausgehen, dass die Ein- und Aus-Zustände EF = 0 bzw. 0,1 eV sind, erreicht der vorgeschlagene Modulator eine hohe Modulationstiefe von ~ 99,3 % und einen Einfügungsverlust von 16,5 % bei einer kleinen Fermi-Niveauverschiebung von 0,1 eV. Wenn wir außerdem davon ausgehen, dass der Aus-Zustand 0,05 eV beträgt, kann eine Modulation von ~ 98,2 % mit einer vernachlässigbaren Fermi-Niveauverschiebung von 0,05 eV erreicht werden. Beachten Sie, dass die in Lit. 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 beschriebenen Modulatoren auf Graphenbasis eine minimale Fermi-Niveauverschiebung von 0,2 eV erfordern. Darüber hinaus beträgt die maximale Modulationstiefe 87 %. Im Vergleich zu diesen Modulatoren erreicht der vorgeschlagene Modulator einen deutlich geringeren Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Modulationstiefe. Darüber hinaus weist der vorgeschlagene Modulator eine polarisationsunabhängige spektrale Reaktion auf, was in praktischen Anwendungen von Vorteil sein kann.

Transmissions- und Modulationstiefe als Funktion des Fermi-Niveaus bei der EIT-ähnlichen Transmissionswellenlänge.

Es ist wichtig, den Herstellungsprozess der vorgeschlagenen Struktur zu besprechen. Der 2D-PC mit einer Periode von etwa 200 μm kann mit herkömmlichen Lithographietechniken hergestellt werden. Frühere Studien haben berichtet, dass auf SiO248,49 zwei Graphenschichten mit einem Abstand von wenigen Nanometern realisiert werden können. Die vorgeschlagene Struktur kann durch einen ähnlichen Herstellungsprozess hergestellt werden. Eine durch CVD gewachsene Graphenschicht auf einem Kupferfilm wird mithilfe der Standard-Nassübertragungstechnik auf das SiO2-Substrat übertragen50. Anschließend wird durch thermisches Verdampfen Metall für die Elektrode abgeschieden. Anschließend wird mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) eine 10 nm dicke SiO2-Schicht auf der Graphenschicht abgeschieden. Die obere Graphenschicht wird auf die SiO2-Schicht übertragen, wobei der gleiche Prozess wie bei der unteren Graphenschicht angewendet wird, gefolgt von der Metallabscheidung für die Elektrode. Daher kann die vorgeschlagene hocheffiziente THz-Modulatorstruktur mit aktuellen Fertigungstechnologien realisiert werden.

Wir haben einen Graphen-basierten Modulator mit hoher Modulationstiefe und geringem Energieverbrauch unter Verwendung der EIT-ähnlichen Übertragung vorgeschlagen. Der hohe Q-Faktor des EIT-Transmissionspeaks verstärkte die Graphenabsorption. Der entworfene Modulator erreichte eine deutlich hohe Modulationstiefe von 99,3 % und einen geringen Einfügungsverlust von 16,5 % bei einer Fermi-Niveauverschiebung von 0,1 eV. Darüber hinaus wurde eine Modulationstiefe von 98,2 % mit einer vernachlässigbaren Fermi-Niveauverschiebung von 0,05 eV erreicht. In der vorgeschlagenen Struktur kann der obere Wellenleiter mit einem 2D-PC durch herkömmliche Lithographietechniken hergestellt werden. Im unteren Wellenleiter kann das zweischichtige Graphen mit einem Abstand von 10 nm – SiO2 – durch aktuelle Fertigungstechnologien realisiert werden. Eine durch CVD gewachsene Graphenschicht auf einem Kupferfilm wird mithilfe der Standard-Nasstransfertechnik auf das SiO2-Substrat übertragen. Durch thermisches Verdampfen wird Metall für die Elektrode abgeschieden. Anschließend wird mittels PECVD eine 10 nm dicke SiO2-Schicht auf der Graphenschicht abgeschieden. Die obere Graphenschicht und die Elektrode werden durch den gleichen Prozess realisiert, der auch auf die untere Graphenschicht angewendet wird. Zur Beobachtung der abstimmbaren EIT-ähnlichen Übertragung durch die vorgeschlagene Struktur kann ein Standard-THz-Zeitbereichsspektroskopiesystem eingesetzt werden.

Die Leitfähigkeit von Graphen wurde mithilfe der Kubo-Formel berechnet, ausgedrückt als 51,52,53:

wobei e, kB, T, ħ, ω und EF die Ladung des Elektrons, die Boltzmann-Konstante, die Temperatur, die Planck-Konstante, die Kreisfrequenz bzw. das Fermi-Niveau von Graphen bezeichnen. Die Größe von τ ist die Relaxationszeit, definiert als τ = μEF/eνF2, wobei νF die Fermi-Geschwindigkeit (νF = 106 m/s) und μ die Ladungsträgermobilität (μ = 10.000 cm2/V) bezeichnet. Aus der Leitfähigkeit von Graphen lässt sich die Permittivität von Graphen ermitteln

wobei ε0 und dG die Vakuumpermittivität bzw. die Dicke von Graphen darstellen (dG = 0,34 nm).

Zur Berechnung der Transmissionsspektren haben wir die periodische Randbedingung für die x- und y-Richtung übernommen. Darüber hinaus haben wir eine Übergangsrandbedingung (TBC) übernommen, um die Graphenschicht als 2D-Ebene im geometrischen Bereich zu modellieren. TBC stellt aufgrund der Oberflächenstromdichte eine Diskontinuität im tangentialen elektrischen Feld dar. Beachten Sie, dass identische Transmissionsspektren erhalten werden können, wenn die Graphenschicht unter Verwendung der Grenzbedingung für die Oberflächenstromdichte als 2D-Schicht behandelt wird. Die 10-nm-SiO2-Schicht mit zwei Graphenschichten wurde in den Berechnungen durch eine 2,5-nm-Gittergröße geteilt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde durch das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, finanziert vom Bildungsministerium (NRF-2020R1F1A1050227 und 2022R1I1A1A01072624), und durch einen Zuschuss des Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) finanziert von der koreanischen Regierung (23ZK1100). , regionales industriebasiertes Projekt zur Förderung der IKT-Konvergenztechnologie in der Region Honam) und vom GIST im Jahr 2023 finanzierter Zuschuss des GIST Research Institute (GRI).

Abteilung für angewandte Photonik-Systemforschung, Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, 61005, Südkorea

Myunghwan Kim, Seong-Han Kim, Chul Kang, Soeun Kim und Chul-Sik Kee

Forschungsabteilung für optische Verpackungen, Forschungsinstitut für Elektronik und Telekommunikation (ETRI), Gwangju, 61012, Südkorea

Myunghwan Kim

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CSK hatte die Idee. MK führte numerische Simulationen unter der Aufsicht von SKSHK und C durch. K half mit konstruktiven Kommentaren bei der Durchführung der Analyse. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Soeun Kim oder Chul-Sik Kee.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, M., Kim, SH., Kang, C. et al. Hocheffizienter Graphen-Terahertz-Modulator mit abstimmbarer elektromagnetisch induzierter transparenter Übertragung. Sci Rep 13, 6680 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34020-2

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Eingegangen: 16. Februar 2023

Angenommen: 22. April 2023

Veröffentlicht: 24. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34020-2

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