Новости

Jul 11, 2023

Высокоэффективный графеновый терагерцовый модулятор с настраиваемой электромагнитно-индуцированной прозрачностью

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6680 (2023) Цитировать эту статью

1380 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптические модуляторы на основе графена широко изучаются из-за высокой подвижности и настраиваемой диэлектрической проницаемости графена. Однако слабое взаимодействие графена и света затрудняет достижение высокой глубины модуляции при низком энергопотреблении. Здесь мы предлагаем высокопроизводительный оптический модулятор на основе графена, состоящий из фотонно-кристаллической структуры и волновода с графеном, который демонстрирует спектр передачи, подобный электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT-подобный) на терагерцовой частоте. Режим управления с высоким добротным коэффициентом для генерации передачи, подобной EIT, усиливает взаимодействие света и графена, а разработанный модулятор достигает высокой глубины модуляции 98% при значительно небольшом сдвиге уровня Ферми, составляющем 0,05 эВ. Предложенная схема может быть использована в активных оптических устройствах, требующих низкого энергопотребления.

Спектральный диапазон Терагерца (ТГц) 0,1–10 ТГц является важным диапазоном частот благодаря его потенциальному применению в различных областях, таких как визуализация систем безопасности, беспроводная высокоскоростная связь и биомедицинская диагностика1,2,3. За последние два десятилетия генерация и обнаружение ТГц источников достигли существенного прогресса и активизировали развитие ТГц технологий4. В последнее время наблюдается быстрое развитие ТГц устройств из метаматериалов5,6,7,8. Однако все еще необходимы дополнительные исследования усовершенствованных компонентов в ТГц режиме. В частности, оптические модуляторы ТГц, которые являются ключевыми устройствами для активного управления ТГц сигналами, имеют решающее значение для ТГц связи и визуализации9,10,11,12. Хотя предложены типы ТГц оптических модуляторов на основе полупроводниковых материалов13,14, глубина их модуляции недостаточно высока.

В последнее время графен привлек значительное внимание благодаря своим исключительным свойствам, таким как высокая теплопроводность, замечательная подвижность носителей и широкая оптическая полоса пропускания15,16,17. В частности, оптическими свойствами графена можно легко управлять с помощью напряжения на затворе18. Эта возможность настройки позволяет применять графен в оптических модуляторах в качестве активного слоя. Высокая подвижность носителей порядка 106 см/Вс позволяет быстро реагировать на электромагнитные поля. Кроме того, экономически эффективные модуляторы на основе графена могут быть реализованы с использованием метода химического осаждения из паровой фазы (CVD). Недавно в нескольких исследованиях сообщалось о высококачественном однослойном графене большой площади, выращенном методом CVD 19,20,21,22. Однако подвешенный однослойный графен имеет незначительное поглощение - 2,3% при нормальном падении, а эффект настройки недостаточно силен для резких изменений поглощения, пропускания или отражения из-за слабого взаимодействия света с графеном, что является серьезным препятствием. в достижении высоких характеристик модуляции.

Для улучшения взаимодействия света и графена были введены графеновые плазмоны23,24. В ТГц и среднем инфракрасном диапазоне графен поддерживает поверхностные плазмоны, а свойства плазмонных мод можно настраивать, регулируя уровень Ферми. Сообщалось о нескольких типах оптических модуляторов, в которых используются графеновые плазмоны и метаматериалы, и они обладают высокой глубиной модуляции25,26,27,28,29,30,31,32,33. Однако для индукции плазмонного резонанса с высокой добротностью (Q-фактором) необходим высококачественный (высокомобильный) графен. Кроме того, для достижения высоких характеристик модуляции требуется легирование графена на высоком уровне Ферми (> 0,4 ​​эВ), что увеличивает энергопотребление. Другой подход к усилению взаимодействия света и графена заключается в использовании эффекта эпсилон-околонулевого (ENZ)34,35. Когда диэлектрическая проницаемость графена равна примерно нулю, электрическое поле сильно ограничено внутри слоя графена, тем самым увеличивая поглощение. Однако эффект ENZ в графене еще не продемонстрирован экспериментально и широко обсуждается36. Вставка слоя графена в резонатор, поддерживающий высокую добротность, может улучшить взаимодействие света и графена37,38,39,40. Например, для диапазона длин волн оптической связи были предложены оптические модуляторы со слоем графена, помещенным в фотонно-кристаллические (ФК) структуры, или кольцевые резонаторы, поддерживающие резонанс с высокой добротностью. Однако исследования оптических модуляторов, сочетающих графен и резонаторы с высокой добротностью в ТГц диапазоне частот, недостаточны.