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Jul 11, 2023

調整可能な電磁誘導透過性を備えた高効率グラフェン テラヘルツ変調器

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6680 (2023) この記事を引用

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グラフェンベースの光変調器は、グラフェンの高い移動度と調整可能な誘電率を利用して広く研究されてきました。 しかし、グラフェンと光の相互作用が弱いため、低いエネルギー消費で高い変調深度を達成することが困難になります。 今回我々は、フォトニック結晶構造と、テラヘルツ周波数で電磁誘起透明様（EIT様）透過スペクトルを示すグラフェンを含む導波路で構成される高性能グラフェンベース光変調器を提案する。 EIT のような透過を生成する高品質係数導波モードは光とグラフェンの相互作用を強化し、設計された変調器は 0.05 eV という非常に小さいフェルミ レベル シフトで 98% の高い変調深度を達成します。 提案された方式は、低消費電力を必要とするアクティブ光デバイスに利用できます。

0.1 ～ 10 THz のテラヘルツ (THz) スペクトル範囲は、セキュリティ イメージング、無線高速通信、生物医学診断など、さまざまな分野での応用の可能性があるため、重要な周波数帯域です 1、2、3。 過去 20 年にわたり、THz 源の生成と検出は大幅な進歩を遂げ、THz 技術の開発を活性化しました4。 最近、THz メタマテリアル デバイスが急速に開発されています 5、6、7、8。 ただし、THz 領域の先進的なコンポーネントに関するさらなる研究がまだ必要です。 特に、THz 光変調器は、THz 信号を能動的に制御するためのキーデバイスであり、THz 通信およびイメージングにおいて重要です9,10,11,12。 半導体材料に基づくタイプの THz 光変調器が提案されていますが 13、14、それらの変調深度は十分に高くありません。

最近、グラフェンは、高い熱伝導率、顕著なキャリア移動度、広い光帯域幅など、いくつかの優れた特性により大きな注目を集めています 15、16、17。 特に、グラフェンの光学特性はゲート電圧によって簡単に制御できます18。 この調整可能性により、光変調器の活性層としてグラフェンを適用することが可能になります。 106 cm/Vs 程度の高いキャリア移動度により、電磁場に対する高速応答が可能になります。 さらに、化学気相成長 (CVD) 法を使用して、コスト効率の高いグラフェンベースの変調器を実現できます。 最近、CVD によって成長させた高品質の大面積グラフェン単層がいくつかの研究で報告されています 19、20、21、22。 ただし、浮遊単層グラフェンの法線入射の吸収は 2.3% と無視でき、光とグラフェンの相互作用が低いため、調整可能な効果は吸収、透過、または反射の急激な変化に対して十分強力ではありません。これが大きな障害となります。高い変調性能を実現します。

光とグラフェンの相互作用を改善するために、グラフェンプラズモンが導入されています 23,24。 THz および中赤外領域では、グラフェンが表面プラズモンをサポートしており、プラズモニック モードの特性はフェルミ レベルを調整することで調整できます。 グラフェンプラズモンとメタマテリアルを利用したいくつかのタイプの光変調器が報告されており、それらは高い変調深度を示します25、26、27、28、29、30、31、32、33。 ただし、高品質因子 (Q 因子) のプラズモン共鳴を誘起するには、高品質 (高移動度) のグラフェンが必要です。 さらに、高い変調性能を達成するには、高フェルミレベルのグラフェンドーピング (> 0.4 eV) が必要であり、これにより消費電力が増加します。 光とグラフェンの相互作用を増加させるもう 1 つのアプローチは、イプシロンニアゼロ (ENZ) 効果を採用することです 34,35。 グラフェンの誘電率がほぼゼロの場合、電場はグラフェン層内に高度に閉じ込められるため、吸収が増加します。 ただし、グラフェンの ENZ 効果はまだ実験的に実証されておらず、非常に議論されています 36。 高い Q 値をサポートする共振器にグラフェン層を挿入すると、光とグラフェンの相互作用を強化できます 37、38、39、40。 例えば、光通信波長領域では、フォトニック結晶（PC）構造内にグラフェン層を配置した光変調器や、高いQ値共振をサポートするリング共振器が提案されている。 しかし、THz周波数帯域におけるグラフェンと高Q値共振器を組み合わせた光変調器に関する研究は不十分である。

ここでは、電磁誘導透過性 (EIT) のような透過をサポートする構造に 2 つのグラフェン層を挿入することにより、低電圧、高変調深度光変調器を数値的に実証します。 EIT は、破壊的な量子干渉による非常に狭い帯域の伝送現象です41。 EIT の実現は実験条件が厳しいため困難ですが、2 つの共振器を結合することで EIT に似たスペクトル応答を得ることができます 41、42、43、44。 我々は、EITのような透過を生成する高Qファクターのガイドモードが光とグラフェンの相互作用を強化し、無視できるフェルミレベルシフトによって透過が大幅に変更できることを実証します。 提案された変調器は、フェルミ レベル シフト 0.05 eV で ~ 98.2% という高い変調深度を達成します。 したがって、提案された変調器は、THz イメージングや通信などの多くの分野で非常に望ましいと推測されます。 すべてのシミュレーションは、有限要素法 (COMSOL Multiphysics ソフトウェア) を使用して実行されました。

図1aは、二次元（2D）ロッド型PCとギャップのある2つの導波路（WtopとWbot）で構成される、提案されたグラフェンベースの光変調器の概略図を示しています。 幅 wpc、高さ tpc の正方形の柱からなる PC が上部導波路上に配置されます。 SiO2 と背景材料の屈折率はそれぞれ nSiO2 = 2、nb = 1 と仮定します。 SiO2 の屈折率は、蒸着方法に応じて、THz 領域で 1.953 から 2.108 まで変化します 45,46。 SiO2 の屈折率の虚数部は、グラフェンの屈折率よりもはるかに小さいため、無視できます。 2 つの単層グラフェン シートが、10 nm の SiO2 ギャップを備えた底部導波路上に配置されています。 グラフェンの電気的ドーピング レベル (フェルミ レベル、EF) は、ゲート電圧の調整によって制御されます。 したがって、上部グラフェン層のドーピング レベルが EF = E0 eV に調整される場合、下部グラフェン層のドーピング レベルは EF = −E0 eV に調整されます。 したがって、２層のグラフェン層が活性層として機能するため、グラフェンの効果を高めることができる構造となっている。 平行平板コンデンサ モデルでは、グラフェン層間の距離が減少するにつれて、特定の EF を調整するために必要なゲート電圧が減少します。

(a) グラフェンベースの光変調器の概略図。 変調器は 2D PC とエアギャップで分離された 2 つの SiO2 導波路で構成されます。 さらに、2 つのグラフェン層が非常に薄い SiO2 ギャップを備えた底部導波路上に配置されています。 (b) EIT の典型的な 3 レベルの Λ スキーム。

図1bは、原子構造におけるEITを観察するための典型的なΛ配置を示しています。 プローブビームを備えた Λ システムが強力な制御場で照射されると、母集団は 2 つの異なる経路 (A) |1⟩→|2⟩ (直接経路) または (B) を介して |1⟩ から |2⟩ に移動できます。 ) |1⟩→|2⟩→|3⟩→|2⟩ (循環パス)。 EIT は、|3⟩ の減衰率が |2⟩47 の減衰率より相対的に小さい場合、2 つの異なるパス (A) と (B) の確率振幅間の量子破壊的干渉により発生します。 EIT のような透過スペクトルは、高 Q 値共振モードと低 Q 値共振モードを結合することによって得られることがよく知られています。 提案されたフォトニック結晶構造（グラフェン層と SiO2 層なし）は、上部導波路と下部導波路でそれぞれ高 Q 値モードと低 Q 値モードを同時に励起します。 提案されたフォトニック構造の低 Q モードと高 Q モードは、それぞれ原子構造の |2⟩ 状態と |3⟩ 状態に対応することに注目します。 私たちの以前の研究では、提案された構造の EIT のような送信と関連する分散関係を生成するための位相整合条件の詳細が報告されました 44,47。 強い光と物質の相互作用を可能にする高Qモードを利用することで、送信されるテラヘルツ波の変調効率を向上させることができます。

図 2 は、THz 波が構造に垂直に入射したときの、EF = 0 ～ 0.01 eV のフェルミ準位変化に対する設計構造の透過スペクトルを示しています。 PC の周期、幅、厚さはそれぞれ a = 218 μm、wpc = 0.7a、tpc = 0.2a と仮定します。 上部導波路と下部導波路の厚さはそれぞれ t1 = 0.25a、t2 = 0.361a、ギャップ サイズは g = 0.8a です。

EF = 0 ～ 0.01 eV のフェルミ準位変動の透過スペクトル。 周期構造は a = 218 μm、フォトニック結晶の幅と高さはそれぞれ wpc = 0.7a、tpc = 0.2a です。 上部導波路と下部導波路の厚さはそれぞれ t1 = 0.25a、t2 = 0.361a、ギャップ サイズは g = 0.8a です。

高い Q 値 (約 544) を持つ EIT のような透過ピークが f = 1.002 THz で発生することが観察され、この周波数でのフェルミ準位が増加するにつれて透過ピークは著しく減少します。これは、この周波数での強い光とグラフェンの相互作用によります。高いQファクター。 対照的に、フェルミ準位変動の透過変動は、光とグラフェンの相互作用が弱いため、透過ピーク領域の外側の周波数では無視できます。

EIT周波数（f = 1.002 THz）での透過、反射、吸収曲線を図3aに示します。 この周波数では、PC 内を伝播する光は下部導波路に強く結合され、結合された光は下部導波路を長時間伝播するため、光とグラフェンの相互作用が非常に強化されます。 言い換えれば、EIT現象はグラフェンを使用することで吸収を大幅に増加させます。 ここで、吸収は、下部導波路の伝播損失と、上部導波路から下部導波路への電力伝送の効率である結合効率によって決まります。

(a) EIT のような送信周波数における変調器の送信、反射、吸収曲線。 (b) 5 層構造 (空気 – SiO2 (t2) – グラフェン – SiO2 (10 m) – グラフェン – 空気) からなる下部導波路の伝播長。 (c) EF = 0 eV、0.0064 eV、0.01 eV、および 0.1 eV からのフェルミ準位変化に対する変調器の電場分布。

図 3b は、フェルミ準位変化に対する下部導波路の伝播長 (PL = 0.5/Im(β)) を示しています。これは、マクスウェル方程式を解くことによる 1 次元導波路の数値解析によって計算されます。 β は、5 層構造 (空気 – SiO2 (t2) – グラフェン – SiO2 (10 m) – グラフェン – 空気) からなる下部導波路内の高 Q 導波モードの波数ベクトルです。 フェルミ準位が増加すると、グラフェンの誘電率の虚数部が増加するため、PL は減少します。 さらに、PL は EF = 0 ～ 0.007 eV で急激に減少します。 これは、このフェルミ準位範囲でグラフェンによる損失が急速に増加することを意味します。

さらに、フェルミ準位の変化の場の分布を図3cに示します。 フェルミレベルが EF = 0 eV の場合、光の大部分は下部導波路に結合され、電場は下部導波路内に高度に閉じ込められます。 対照的に、フェルミ準位が増加すると、下部導波路に結合される入射光が少なくなり、電場が上部導波路内に閉じ込められます。これは、波数ベクトルとモード不整合の増加に起因します。 したがって、フェルミ準位が増加するにつれて伝播損失は減少します。 吸収はEF = 0.0064 eVで最大値を持ちます。 このフェルミ準位以下では、伝播損失が吸収の支配的な要因となりますが、より高いフェルミ準位では結合効率が吸収の主な決定要因となります。

図 4 は、フェルミ レベルの関数としての送信と変調の深さを示しています。 変調度は MD = (Ton – Toff)/Ton として定義されます。 オン状態とオフ状態をそれぞれ EF = 0 と 0.1 eV と仮定すると、提案された変調器は、0.1 eV の小さなフェルミ レベル シフトで、約 99.3% の高い変調深度と 16.5% の挿入損失を達成します。 さらに、オフ状態を 0.05 eV と仮定すると、フェルミ レベル シフトが 0.05 eV という無視できるレベルで、約 98.2% の変調を達成できます。 参考文献25、26、27、28、29、30、31、32、33で報告されているグラフェンベースの変調器は、最小0.2 eVのフェルミレベルシフトを必要とすることに注意してください。 また、その中の最大変調度は87%です。 これらの変調器と比較して、提案された変調器は大幅に低いエネルギー消費と高い変調深度を同時に達成します。 さらに、提案された変調器は偏光に依存しないスペクトル応答を示し、これは実際のアプリケーションで有益となる可能性があります。

EIT のような送信波長におけるフェルミ レベルの関数としての送信と変調の深さ。

提案された構造の製造プロセスについて議論することが重要です。 約２００μｍの周期を有する２Ｄ ＰＣは、従来のリソグラフィー技術によって製造することができる。 以前の研究では、数ナノメートルの距離を持つ 2 つのグラフェン層を SiO248,49 上に実現できることが報告されています。 提案された構造は、同様の製造プロセスによって製造できます。 CVD によって成長させた銅膜上のグラフェン シートは、標準的な湿式転写技術 50 を使用して SiO2 基板上に転写されます。 次に、熱蒸着を使用して電極用の金属を蒸着します。 続いて、プラズマ化学気相成長法 (PECVD) を使用して、グラフェン層上に 10 nm の SiO2 層を堆積します。 上部のグラフェン層は、下部のグラフェン層に適用されたのと同じプロセスを使用して SiO2 層上に転写され、続いて電極用の金属が蒸着されます。 したがって、提案された高効率 THz 変調器構造は、現在の製造技術によって実現できます。

我々は、EIT のような伝送を使用した、高変調深さ、低エネルギー消費のグラフェンベースの変調器を提案しました。 EIT 透過ピークの Q 値が高いため、グラフェンの吸収が強化されました。 設計された変調器は、フェルミ レベル シフト 0.1 eV で、99.3% という非常に高い変調深度と 16.5% の低い挿入損失を達成しました。 さらに、0.05 eV という無視できるほどのフェルミレベルシフトで、98.2% の変調深さが達成されました。 提案された構造では、2D PC を備えた上部導波路は従来のリソグラフィー技術によって製造できます。 下部導波路では、ギャップ 10 nm-SiO2 の 2 つの単層グラフェンが現在の製造技術で実現できます。 CVD によって成長させた銅膜上のグラフェン シートは、標準的な湿式転写技術を使用して SiO2 基板上に転写されます。 熱蒸着は、電極用の金属を蒸着するために使用されます。 続いて、PECVD を使用してグラフェン層上に 10 nm の SiO2 層が堆積されます。 上部のグラフェン層と電極は、下部のグラフェン層に適用される同じプロセスを使用して実現されます。 標準的な THz 時間領域分光システムは、提案された構造を通る調整可能な EIT のような透過を観察するのに使用できます。

グラフェンの導電率は、次のように表されるKubo式を使用して計算されました。51、52、53:

ここで、e、kB、T、ħ、ω、EF はそれぞれ電子の電荷、ボルツマン定数、温度、プランク定数、角周波数、グラフェンのフェルミ準位を示します。 τ の量は、τ = μEF/eνF2 として定義される緩和時間です。ここで、νF はフェルミ速度 (νF = 106 m/s) を表し、μ はキャリア移動度 (μ = 10,000 cm2/V) を表します。 グラフェンの導電率から、グラフェンの誘電率は次のように求めることができます。

ここで、ε0 と dG はそれぞれ真空誘電率とグラフェンの厚さを表します (dG = 0.34 nm)。

透過スペクトルを計算するために、x 方向と y 方向の周期境界条件を採用しました。 さらに、遷移境界条件 (TBC) を採用して、グラフェン層を幾何学的領域の 2D 平面としてモデル化しました。 TBC は、表面電流密度による接線電界の不連続性を表します。 表面電流密度境界条件を使用してグラフェン層を 2D シートとして扱う場合にも、同一の透過スペクトルが得られることに注意してください。 計算では、2 つのグラフェン層で挟まれた 10 nm-SiO2 層を 2.5 nm のグリッド サイズで分割しました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、教育省の資金提供による韓国国立研究財団（NRF）による基礎科学研究プログラム（NRF-2020R1F1A1050227および2022R1I1A1A01072624）、韓国政府の資金提供による電子電気通信研究院（ETRI）の助成金（23ZK1100）によって支援されました。 、湖南地域地域産業基盤ICT融合技術高度化支援事業）、および2023年にGISTが資金提供するGIST研究所（GRI）助成金。

Division of Applied Photonics System Research, Advanced Photonics Research Institute, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, 61005, Korea

キム・ミョンファン、キム・ソンハン、チョル・ガン、キム・ソウン、キー・チョルシク

光パッケージング研究セクション、電子電気通信研究所 (ETRI)、光州、61012、韓国

キム・ミョンファン

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CSKがこのアイデアを考案しました。 MK は SKSHK の監督の下で数値シミュレーションを実行し、C.K は建設的なコメントで解析の実行を支援しました。 著者全員が結果について議論し、原稿をレビューしました。

Soeun Kim または Chul-Sik Kee への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Kim, M.、Kim, SH.、Kang, C. 他調整可能な電磁誘導透過のような透過を備えた高効率グラフェン テラヘルツ変調器。 Sci Rep 13、6680 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34020-2

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受信日: 2023 年 2 月 16 日

受理日: 2023 年 4 月 22 日

公開日: 2023 年 4 月 24 日

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

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