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Jul 11, 2023

Modulador de terahercios de grafeno altamente eficiente con transparencia inducida electromagnéticamente sintonizable

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6680 (2023) Citar este artículo

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Los moduladores ópticos basados ​​en grafeno se han estudiado ampliamente debido a la alta movilidad y la permitividad ajustable del grafeno. Sin embargo, las débiles interacciones grafeno-luz dificultan lograr una alta profundidad de modulación con un bajo consumo de energía. Aquí, proponemos un modulador óptico basado en grafeno de alto rendimiento que consta de una estructura de cristal fotónico y una guía de ondas con grafeno que exhibe un espectro de transmisión similar a la transparencia inducida electromagnéticamente (similar a EIT) a una frecuencia de terahercios. El modo de guía de alto factor de calidad para generar la transmisión similar a EIT mejora la interacción luz-grafeno, y el modulador diseñado logra una alta profundidad de modulación del 98 % con un cambio de nivel de Fermi significativamente pequeño de 0,05 eV. El esquema propuesto se puede utilizar en dispositivos ópticos activos que requieren un bajo consumo de energía.

El rango espectral de terahercios (THz) de 0,1 a 10 THz es una banda de frecuencia importante debido a sus aplicaciones potenciales en varios campos, como imágenes de seguridad, comunicaciones inalámbricas de alta velocidad y diagnóstico biomédico1,2,3. En las últimas dos décadas, la generación y detección de fuentes de THz ha logrado un progreso sustancial y ha revitalizado el desarrollo de las tecnologías de THz4. Recientemente, ha habido un rápido desarrollo en los dispositivos de metamateriales THz5,6,7,8. Sin embargo, aún se requiere más investigación sobre componentes avanzados en el régimen de THz. En particular, los moduladores ópticos de THz, que son dispositivos clave para controlar activamente las señales de THz, son cruciales en las comunicaciones e imágenes de THz9,10,11,12. Aunque se han sugerido tipos de moduladores ópticos de THz basados ​​en materiales semiconductores13,14, sus profundidades de modulación no son suficientemente altas.

Recientemente, el grafeno ha atraído una atención significativa debido a sus varias propiedades excepcionales, como la alta conductividad térmica, la notable movilidad del portador y el amplio ancho de banda óptico15,16,17. En particular, la propiedad óptica del grafeno se puede controlar fácilmente mediante el voltaje de puerta18. Esta capacidad de ajuste permite la aplicación de grafeno en moduladores ópticos como capa activa. La alta movilidad de los portadores del orden de 106 cm/Vs permite respuestas rápidas a campos electromagnéticos. Además, se pueden realizar moduladores rentables basados ​​en grafeno utilizando el método de deposición química de vapor (CVD). Recientemente, se ha informado en varios estudios 19,20,21,22 de una sola capa de grafeno de gran área de alta calidad cultivada por CVD. Sin embargo, el grafeno de una sola capa suspendido tiene una absorción insignificante del 2,3 % para una incidencia normal, y el efecto sintonizable no es lo suficientemente fuerte para variaciones drásticas en la absorción, transmisión o reflexión debido a la baja interacción entre la luz y el grafeno, que es un obstáculo importante. para lograr un alto rendimiento de modulación.

Para mejorar la interacción luz-grafeno, se han introducido plasmones de grafeno23,24. En las regiones de THz e infrarrojo medio, el grafeno admite plasmones de superficie, y las propiedades de los modos plasmónicos se pueden ajustar ajustando el nivel de Fermi. Se han informado varios tipos de moduladores ópticos que utilizan plasmones y metamateriales de grafeno y exhiben una alta profundidad de modulación25,26,27,28,29,30,31,32,33. Sin embargo, se requiere grafeno de alta calidad (alta movilidad) para inducir resonancia plasmónica de factor de alta calidad (factor Q). Además, se requiere un alto nivel de dopaje de grafeno de Fermi (> 0,4 ​​eV) para lograr un alto rendimiento de modulación, lo que aumenta el consumo de energía. Otro enfoque para aumentar la interacción luz-grafeno es adoptar el efecto épsilon-near-zero (ENZ)34,35. Cuando la permitividad del grafeno es aproximadamente cero, el campo eléctrico está muy confinado dentro de la capa de grafeno, lo que aumenta la absorción. Sin embargo, el efecto ENZ en el grafeno aún no se ha demostrado experimentalmente y es muy debatido36. Insertar una capa de grafeno en un resonador que admita un factor Q alto puede mejorar la interacción luz-grafeno37,38,39,40. Por ejemplo, se han sugerido moduladores ópticos con la capa de grafeno colocada en estructuras de cristal fotónico (PC) o resonadores de anillo que admiten resonancia de alto factor Q para la región de longitud de onda de comunicación óptica. Sin embargo, los estudios sobre moduladores ópticos que combinan grafeno y resonadores de alto factor Q en la banda de frecuencia de THz son insuficientes.

Aquí, demostramos numéricamente un modulador óptico de profundidad de alta modulación y bajo voltaje mediante la inserción de dos capas de grafeno en una estructura que admite una transmisión similar a la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT). La EIT es un fenómeno de transmisión con una banda muy estrecha debido a la interferencia cuántica destructiva41. Aunque la realización de EIT es difícil debido a las estrictas condiciones experimentales, se puede obtener una respuesta espectral similar a la EIT acoplando dos resonadores41,42,43,44. Demostramos que el modo de guía de alto factor Q para generar una transmisión similar a EIT mejora la interacción luz-grafeno, y la transmisión puede modificarse drásticamente por un cambio de nivel de Fermi insignificante. El modulador propuesto logra una alta profundidad de modulación de ~ 98,2% con un cambio de nivel de Fermi de 0,05 eV. Por lo tanto, inferimos que el modulador propuesto es altamente deseable en muchos campos, como en las comunicaciones y la generación de imágenes en THz. Todas las simulaciones se realizaron utilizando el método de elementos finitos (software COMSOL Multiphysics).

La Figura 1a presenta un esquema del modulador óptico basado en grafeno propuesto que comprende una PC tipo varilla bidimensional (2D) y dos guías de onda (Wtop y Wbot) con un espacio. El PC que comprende pilares de forma cuadrada de ancho wpc y alto tpc se coloca en la guía de ondas superior. Se supone que los índices de refracción del SiO2 y del material de fondo son nSiO2 = 2 y nb = 1, respectivamente. El índice de refracción del SiO2 varía de 1,953 a 2,108 en la región de THz, según el método de depósito45,46. La parte imaginaria del índice de refracción del SiO2 es insignificante porque es mucho más pequeña que la del índice de refracción del grafeno. Se colocan dos láminas de grafeno de una sola capa en la guía de ondas inferior con un espacio de SiO2 de 10 nm. El nivel de dopaje eléctrico (nivel de Fermi, EF) del grafeno se controla mediante el ajuste del voltaje de puerta. Entonces, si el nivel de dopaje de la capa superior de grafeno se ajusta a EF = E0 eV, el de la capa inferior de grafeno se ajusta a EF = −E0 eV. Por lo tanto, dado que las dos capas de grafeno actúan como capas activas, la estructura puede mejorar el efecto del grafeno. En el modelo de capacitor de placas paralelas, el voltaje de puerta requerido para ajustar un cierto EF disminuye a medida que disminuye la distancia entre las capas de grafeno.

( a ) Ilustración esquemática de un modulador óptico basado en grafeno. El modulador consta de un PC 2D y dos guías de ondas de SiO2 separadas por un espacio de aire; Además, se colocan dos capas de grafeno en la guía de ondas inferior con un espacio de SiO2 significativamente delgado. (b) Esquema Λ típico de tres niveles para EIT.

La Figura 1b ilustra una configuración Λ típica para la observación de EIT en una estructura atómica. Cuando el sistema Λ con un haz de prueba se ilumina con un fuerte campo de control, la población puede pasar de |1⟩ a |2⟩ a través de dos caminos diferentes: (A) |1⟩→|2⟩ (camino directo) o (B ) |1⟩→|2⟩→|3⟩→|2⟩ (camino circular). La EIT se produce debido a la interferencia cuántica destructiva entre las amplitudes de probabilidad de los dos caminos diferentes (A) y (B), siempre que la tasa de caída de |3⟩ sea relativamente menor que la de |2⟩47. Es bien sabido que el espectro de transmisión similar a EIT se puede obtener acoplando modos resonantes de factor Q alto y bajo. La estructura de cristal fotónico propuesta (sin capas de grafeno y SiO2) excita los modos de factor Q alto y bajo simultáneamente en las guías de onda superior e inferior, respectivamente. Observamos que los modos Q bajo y alto en la estructura fotónica propuesta corresponden a los estados |2⟩ y |3⟩ en la estructura atómica, respectivamente. Nuestros trabajos anteriores informaron los detalles en la condición de coincidencia de fase para generar una transmisión similar a EIT y la relación de dispersión relacionada de la estructura propuesta44,47. Al utilizar los modos de alto Q que permiten fuertes interacciones luz-materia, se puede mejorar la eficiencia de modulación de la onda THz transmitida.

La figura 2 presenta los espectros de transmisión de la estructura diseñada para la variación del nivel de Fermi de EF = 0–0,01 eV cuando una onda THz normalmente incide en la estructura. Se supone que el período, el ancho y el grosor de la PC son a = 218 μm, wpc = 0.7a y tpc = 0.2a, respectivamente. Los espesores de las guías de ondas superior e inferior son t1 = 0,25a y t2 = 0,361a, respectivamente, y el tamaño del espacio es g = 0,8a.

Espectros de transmisión para la variación del nivel de Fermi de EF = 0–0,01 eV. La estructura del período es a = 218 μm, y el ancho y la altura del cristal fotónico son wpc = 0.7a y tpc = 0.2a, respectivamente. Los espesores de las guías de ondas superior e inferior son t1 = 0,25a y t2 = 0,361a, respectivamente, y el tamaño del espacio es g = 0,8a.

Se observa que el pico de transmisión similar a EIT con un factor Q alto (~ 544) ocurre en f = 1.002 THz, y el pico de transmisión disminuye notablemente a medida que aumenta el nivel de Fermi en esta frecuencia debido a la fuerte interacción luz-grafeno de el alto factor Q. Por el contrario, la variación de transmisión para la variación del nivel de Fermi es insignificante en la frecuencia fuera de la región del pico de transmisión debido a la débil interacción luz-grafeno.

Las curvas de transmisión, reflexión y absorción a la frecuencia EIT (f = 1,002 THz) se presentan en la Fig. 3a. A esta frecuencia, la luz que se propaga dentro de la PC está fuertemente acoplada a la guía de ondas inferior, y la luz acoplada se propaga a través de la guía de ondas inferior durante mucho tiempo, lo que da como resultado una interacción luz-grafeno muy mejorada. En otras palabras, el fenómeno EIT aumenta significativamente la absorción usando grafeno. Aquí, la absorción está determinada por la pérdida de propagación de la guía de ondas inferior y la eficiencia de acoplamiento, que es la eficiencia de la transferencia de energía desde las guías de ondas superiores a las inferiores.

( a ) Curvas de transmisión, reflexión y absorción del modulador a la frecuencia de transmisión similar a EIT. (b) Longitud de propagación de la guía de onda inferior que comprende una estructura de cinco capas (aire-SiO2 (t2)-grafeno-SiO2 (10 m)-grafeno-aire). ( c ) Distribución del campo eléctrico del modulador para la variación del nivel de Fermi de EF = 0 eV, 0.0064 eV, 0.01 eV y 0.1 eV, respectivamente.

La Figura 3b presenta la longitud de propagación (PL = 0,5/Im(β)) de la guía de onda inferior para la variación del nivel de Fermi, que se calcula mediante el análisis numérico de la guía de onda unidimensional resolviendo las ecuaciones de Maxwell. β es el vector de onda del modo guiado de alto Q en la guía de onda inferior que comprende una estructura de cinco capas (aire–SiO2 (t2)–grafeno–SiO2 (10 m)–grafeno–aire). A medida que aumenta el nivel de Fermi, el PL disminuye porque la parte imaginaria de la permitividad del grafeno aumenta a medida que aumenta el nivel de Fermi. Además, el PL disminuye abruptamente desde EF = 0–0.007 eV. Esto implica que la pérdida por grafeno aumenta rápidamente en este rango de niveles de Fermi.

Además, ilustramos las distribuciones de campo para la variación del nivel de Fermi en la Fig. 3c. Cuando el nivel de Fermi es EF = 0 eV, la mayor parte de la luz se acopla a la guía de ondas inferior y el campo eléctrico está muy confinado en la guía de ondas inferior. Por el contrario, a medida que aumenta el nivel de Fermi, se acopla menos luz incidente a la guía de ondas inferior y el campo eléctrico queda confinado dentro de la guía de ondas superior, lo que se origina por el aumento en el vector de onda y los desajustes de modo. Por tanto, la pérdida de propagación disminuye a medida que aumenta el nivel de Fermi. La absorción tiene un valor máximo en EF = 0,0064 eV. Por debajo de este nivel de Fermi, la pérdida de propagación es el factor dominante para la absorción, mientras que la eficiencia de acoplamiento es el principal determinante de la absorción a niveles más altos de Fermi.

La figura 4 ilustra la profundidad de transmisión y modulación en función del nivel de Fermi. La profundidad de modulación se define como MD = (Ton–Toff)/Ton. Si asumimos que los estados activado y desactivado son EF = 0 y 0,1 eV, respectivamente, el modulador propuesto logra una alta profundidad de modulación de ~ 99,3 % y una pérdida de inserción del 16,5 % con un pequeño cambio de nivel de Fermi de 0,1 eV. Además, si asumimos que el estado desactivado es de 0,05 eV, se puede lograr una modulación de ~ 98,2% con un cambio de nivel de Fermi insignificante de 0,05 eV. Tenga en cuenta que los moduladores basados ​​en grafeno informados en Ref.25,26,27,28,29,30,31,32,33 requieren un cambio de nivel mínimo de Fermi de 0,2 eV. Además, la profundidad de modulación máxima entre ellos es del 87%. Comparado con estos moduladores, el modulador propuesto logra un consumo de energía significativamente bajo y una alta profundidad de modulación simultáneamente. Además, el modulador propuesto exhibe una respuesta espectral independiente de la polarización, lo que puede ser beneficioso en aplicaciones prácticas.

Profundidad de transmisión y modulación en función del nivel de Fermi en la longitud de onda de transmisión similar a EIT.

Es importante discutir ese proceso de fabricación de la estructura propuesta. La PC 2D con un período de aproximadamente 200 μm se puede fabricar mediante técnicas de litografía convencionales. Estudios previos han informado que se pueden realizar dos capas de grafeno con una distancia de unos pocos nanómetros en SiO248,49. La estructura propuesta se puede fabricar mediante un proceso de fabricación similar. Una lámina de grafeno sobre una película de cobre cultivada mediante CVD se transfiere al sustrato de SiO2 mediante la técnica estándar de transferencia en húmedo50. Luego, la evaporación térmica se usa para depositar metal para el electrodo. Posteriormente, se deposita una capa de SiO2 de 10 nm sobre la capa de grafeno mediante deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD). La capa superior de grafeno se transfiere a la capa de SiO2 utilizando el mismo proceso aplicado a la capa inferior de grafeno, seguido de la deposición de metal para el electrodo. Por lo tanto, la estructura de modulador de THz altamente eficiente propuesta se puede realizar mediante las tecnologías de fabricación actuales.

Propusimos un modulador basado en grafeno de alta profundidad de modulación y bajo consumo de energía utilizando la transmisión similar a EIT. El alto factor Q del pico de transmisión de EIT intensificó la absorción de grafeno. El modulador diseñado logró una profundidad de modulación significativamente alta del 99,3 % y una baja pérdida de inserción del 16,5 % con un cambio de nivel de Fermi de 0,1 eV. Además, se logró una profundidad de modulación del 98,2% con un cambio de nivel de Fermi insignificante de 0,05 eV. En la estructura propuesta, la guía de ondas superior con una PC 2D se puede fabricar mediante técnicas de litografía convencionales. En la guía de ondas inferior, el grafeno de dos capas individuales con una brecha de 10 nm-SiO2 se puede realizar mediante las tecnologías de fabricación actuales. Una lámina de grafeno sobre una película de cobre desarrollada por CVD se transfiere al sustrato de SiO2 mediante la técnica estándar de transferencia en húmedo. La evaporación térmica se utiliza para depositar metal para el electrodo. Posteriormente, se deposita una capa de SiO2 de 10 nm sobre la capa de grafeno usando PECVD. La capa superior de grafeno y el electrodo se realizan utilizando el mismo proceso aplicado a la capa inferior de grafeno. Se puede emplear un sistema de espectroscopia de dominio de tiempo de THz estándar para observar la transmisión similar a EIT sintonizable a través de la estructura propuesta.

La conductividad del grafeno se calculó mediante la fórmula de Kubo expresada como51,52,53:

donde e, kB, T, ħ, ω y EF denotan la carga del electrón, la constante de Boltzmann, la temperatura, la constante de Planck, la frecuencia angular y el nivel de grafeno de Fermi, respectivamente. La cantidad de τ es el tiempo de relajación definido como τ = μEF/eνF2, donde νF representa la velocidad de Fermi (νF = 106 m/s) y μ denota la movilidad del portador (μ = 10 000 cm2/V). A partir de la conductividad del grafeno, la permitividad del grafeno se puede obtener por

donde ε0 y dG representan la permitividad de vacío y el espesor del grafeno (dG = 0,34 nm), respectivamente.

Para calcular los espectros de transmisión, adoptamos la condición límite periódica para las direcciones x e y. Además, adoptamos una condición de contorno de transición (TBC) para modelar la capa de grafeno como un plano 2D en el dominio geométrico. TBC representa una discontinuidad en el campo eléctrico tangencial debido a la densidad de corriente superficial. Tenga en cuenta que se pueden obtener espectros de transmisión idénticos cuando la capa de grafeno se trata como la hoja 2D utilizando la condición límite de densidad de corriente superficial. La capa de 10 nm-SiO2 intercalada con dos capas de grafeno se dividió por un tamaño de cuadrícula de 2,5 nm en los cálculos.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación de Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación (NRF-2020R1F1A1050227 y 2022R1I1A1A01072624), subvención del Instituto de Investigación de Electrónica y Telecomunicaciones (ETRI) financiada por el gobierno coreano (23ZK1100 , proyecto de apoyo al avance de la tecnología de convergencia de las TIC basado en la industria regional de la región de Honam) y subvención del GIST Research Institute (GRI) financiada por el GIST en 2023.

División de Investigación de Sistemas de Fotónica Aplicada, Instituto de Investigación de Fotónica Avanzada, Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Gwangju, 61005, Corea del Sur

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

Sección de Investigación de Empaquetado Óptico, Instituto de Investigación de Electrónica y Telecomunicaciones (ETRI), Gwangju, 61012, Corea del Sur

Myunghwan Kim

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CSK concibió la idea. MK realizó simulaciones numéricas bajo la supervisión de SKSHK y C. K ayudan a realizar el análisis con comentarios constructivos. Todos los autores discutieron los resultados y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Soeun Kim o Chul-Sik Kee.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kim, M., Kim, SH., Kang, C. et al. Modulador de terahercios de grafeno altamente eficiente con transmisión similar a la transparencia inducida electromagnéticamente sintonizable. Informe científico 13, 6680 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34020-2

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Recibido: 16 febrero 2023

Aceptado: 22 de abril de 2023

Publicado: 24 abril 2023

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

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