【原】特拉华大学的Gu Tingyi课题组--低压超快石墨烯集成相位调制器的器件结构

石墨烯的原子层薄几何结构和半金属能带可以显著改善集成光子器件矩阵的性能。其类似半导体的费米能级可调特性使得石墨烯可以作为电-光调制的活性层。石墨烯作为一种低损耗的金属层，可以放置在离有源层更近的地方进行低压操作。在这项工作中，我们研究了利用石墨烯的半导体和金属特性的混合器件体系结构，以用于半导体和介电平台上超快且节能的电-光相位调制器。（1）直接接触石墨烯-硅异质结。在没有氧化层的情况下，石墨烯的载流子密度可以通过与硅层的直接接触来调节，而硅的本征区大部分处于耗尽状态。用掺杂的硅作为电极，载流子可以快速注入并从石墨烯的活性区中耗尽。超快的载流子传输时间和小的RC常数保证了超快的调制速度（67 GHz的3 dB带宽），估计的V_π·L为1.19 V·mm。（2）石墨烯集成铌酸锂调制器。作为透明电极，可以将石墨烯放置在靠近集成铌酸锂波导的位置，从而以最小的附加损耗（4.6 dB/cm）改善光学模式轮廓和电场之间的耦合系数。数值模拟表明电光重叠系数提高了2.5倍，估计V_π为0.2 V。

Figure 1. （a）G-Si光电探测器性能矩阵比较。（b）Si和G-Si调制器。

Figure 2. 设备原理图。（a）提出的G-Si光子晶体波导（PhC WG）MZM调制器的示意图。（b）PhC WG在1550 nm处的横截面光学模式轮廓（TE模式）。（c）石墨烯硅p-n结调制器的掺杂曲线。（d）石墨烯硅p-i-n结调制器的掺杂曲线。（e）铸造加工的硅PhC WG的SEM图像。（f）底切后测得PhC WG的透射光谱。r：PhC平板中孔的半径

Figure 3. G-Si p-n结调制器。（a）G费米能级和折射率在0至-2V的反向偏压下变化。（b）硅折射率的实部和虚部在0至-2V的反向偏压下变化。（c）在0至-2V的反向偏压下，混合结构的有效折射率变化。（d）总有效折射率变化和在0至-2V的储备偏置下实现π相移的长度。（e）保留偏置从0到-2V的混合波导的损耗。（f）在0至-2V偏压下驱动1550 nm附近的MZM的一个臂的透射光谱

相关研究成果于2021年由特拉华大学的Gu Tingyi课题组，发表在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。