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Jul 11, 2023

Modulatore terahertz di grafene altamente efficiente con trasparenza sintonizzabile indotta elettromagneticamente

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6680 (2023) Citare questo articolo

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I modulatori ottici basati sul grafene sono stati ampiamente studiati a causa dell'elevata mobilità e della permettività sintonizzabile del grafene. Tuttavia, le deboli interazioni grafene-luce rendono difficile ottenere un’elevata profondità di modulazione con un basso consumo energetico. Qui, proponiamo un modulatore ottico basato su grafene ad alte prestazioni costituito da una struttura a cristallo fotonico e una guida d'onda con grafene che presenta uno spettro di trasmissione simile alla trasparenza indotta elettromagneticamente (simile a EIT) alla frequenza terahertz. La modalità di guida ad alto fattore di qualità per generare la trasmissione simile a EIT migliora l'interazione luce-grafene e il modulatore progettato raggiunge un'elevata profondità di modulazione del 98% con uno spostamento del livello di Fermi significativamente piccolo di 0,05 eV. Lo schema proposto può essere utilizzato in dispositivi ottici attivi che richiedono un basso consumo energetico.

L'intervallo spettrale terahertz (THz) di 0,1–10 THz è un'importante banda di frequenza grazie alle sue potenziali applicazioni in vari campi, come l'imaging di sicurezza, le comunicazioni wireless ad alta velocità e la diagnostica biomedica1,2,3. Negli ultimi due decenni, la generazione e il rilevamento di sorgenti THz hanno compiuto progressi sostanziali e hanno rivitalizzato lo sviluppo delle tecnologie THz4. Recentemente, c'è stato un rapido sviluppo dei dispositivi metamateriali THz5,6,7,8. Tuttavia, sono ancora necessarie ulteriori ricerche sui componenti avanzati nel regime THz. In particolare, i modulatori ottici THz, che sono dispositivi chiave per il controllo attivo dei segnali THz, sono cruciali nelle comunicazioni e nell'imaging THz9,10,11,12. Sebbene siano stati suggeriti tipi di modulatori ottici THz basati su materiali semiconduttori13,14, le loro profondità di modulazione non sono sufficientemente elevate.

Recentemente, il grafene ha attirato un'attenzione significativa grazie alle sue numerose proprietà eccezionali, come l'elevata conduttività termica, la notevole mobilità dei portatori e l'ampia larghezza di banda ottica15,16,17. In particolare, la proprietà ottica del grafene può essere facilmente controllata dalla tensione di gate18. Questa possibilità di regolazione consente l'applicazione del grafene nei modulatori ottici come strato attivo. L'elevata mobilità dei portatori dell'ordine di 106 cm/Vs consente risposte rapide ai campi elettromagnetici. Inoltre, è possibile realizzare modulatori economici a base di grafene utilizzando il metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD). Recentemente, in diversi studi è stato riportato un singolo strato di grafene su ampia area di alta qualità cresciuto mediante CVD 19,20,21,22. Tuttavia, il grafene monostrato sospeso ha un assorbimento trascurabile del 2,3% per un'incidenza normale e l'effetto sintonizzabile non è sufficientemente forte per variazioni drastiche di assorbimento, trasmissione o riflessione a causa della scarsa interazione luce-grafene, che rappresenta un ostacolo significativo nel raggiungimento di elevate prestazioni di modulazione.

Per migliorare l'interazione luce-grafene, sono stati introdotti i plasmoni di grafene23,24. Nelle regioni THz e del medio infrarosso, il grafene supporta i plasmoni di superficie e le proprietà dei modi plasmonici possono essere regolati regolando il livello di Fermi. Sono stati segnalati diversi tipi di modulatori ottici che utilizzano plasmoni e metamateriali di grafene e mostrano un'elevata profondità di modulazione25,26,27,28,29,30,31,32,33. Tuttavia, è necessario grafene di alta qualità (alta mobilità) per indurre una risonanza plasmonica con fattore Q di alta qualità. Inoltre, per ottenere elevate prestazioni di modulazione, è necessario un drogaggio del grafene ad alto livello di Fermi (> 0,4 ​​eV), che aumenta il consumo energetico. Un altro approccio per aumentare l'interazione luce-grafene è l'adozione dell'effetto epsilon-near-zero (ENZ)34,35. Quando la permettività del grafene è approssimativamente pari a zero, il campo elettrico è altamente confinato all’interno dello strato di grafene, aumentando così l’assorbimento. Tuttavia, l’effetto ENZ nel grafene deve ancora essere dimostrato sperimentalmente ed è fortemente dibattuto36. L'inserimento di uno strato di grafene in un risonatore che supporta un fattore Q elevato può migliorare l'interazione luce-grafene37,38,39,40. Ad esempio, per la regione della lunghezza d'onda della comunicazione ottica sono stati suggeriti modulatori ottici con lo strato di grafene posizionato in strutture a cristallo fotonico (PC) o risonatori ad anello che supportano una risonanza con fattore Q elevato. Tuttavia, gli studi sui modulatori ottici che combinano grafene e risonatori ad alto fattore Q nella banda di frequenza THz sono insufficienti.