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特拉華大學的Gu Tingyi課題組--低壓超快石墨烯集成相位調制器的器件結構

石墨烯的原子層薄幾何結構和半金屬能帶可以顯著改善集成光子器件矩陣的性能。其類似半導體的費米能級可調特性使得石墨烯可以作為電-光調制的活性層。石墨烯作為一種低損耗的金屬層，可以放置在離有源層更近的地方進行低壓操作。在這項工作中，我們研究了利用石墨烯的半導體和金屬特性的混合器件體系結構，以用于半導體和介電平臺上超快且節(jié)能的電-光相位調制器。（1）直接接觸石墨烯-硅異質結。在沒有氧化層的情況下，石墨烯的載流子密度可以通過與硅層的直接接觸來調節(jié)，而硅的本征區(qū)大部分處于耗盡狀態(tài)。用摻雜的硅作為電極，載流子可以快速注入并從石墨烯的活性區(qū)中耗盡。超快的載流子傳輸時間和小的RC常數(shù)保證了超快的調制速度（67 GHz的3 dB帶寬），估計的V_π·L為1.19 V·mm。（2）石墨烯集成鈮酸鋰調制器。作為透明電極，可以將石墨烯放置在靠近集成鈮酸鋰波導的位置，從而以最小的附加損耗（4.6 dB/cm）改善光學模式輪廓和電場之間的耦合系數(shù)。數(shù)值模擬表明電光重疊系數(shù)提高了2.5倍，估計V_π為0.2 V。

Figure 1. （a）G-Si光電探測器性能矩陣比較。（b）Si和G-Si調制器。

Figure 2. 設備原理圖。（a）提出的G-Si光子晶體波導（PhC WG）MZM調制器的示意圖。（b）PhC WG在1550 nm處的橫截面光學模式輪廓（TE模式）。（c）石墨烯硅p-n結調制器的摻雜曲線。（d）石墨烯硅p-i-n結調制器的摻雜曲線。（e）鑄造加工的硅PhC WG的SEM圖像。（f）底切后測得PhC WG的透射光譜。r：PhC平板中孔的半徑

Figure 3. G-Si p-n結調制器。（a）G費米能級和折射率在0至-2V的反向偏壓下變化。（b）硅折射率的實部和虛部在0至-2V的反向偏壓下變化。（c）在0至-2V的反向偏壓下，混合結構的有效折射率變化。（d）總有效折射率變化和在0至-2V的儲備偏置下實現(xiàn)π相移的長度。（e）保留偏置從0到-2V的混合波導的損耗。（f）在0至-2V偏壓下驅動1550 nm附近的MZM的一個臂的透射光譜

相關研究成果于2021年由特拉華大學的Gu Tingyi課題組，發(fā)表在IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS（doi：10.1109/JSTQE.2020.3026357）上，原文：Device Architectures for Low Voltage and Ultrafast Graphene Integrated Phase Modulators。

轉自《石墨烯雜志》公眾號



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