石墨烯表面等离激元特性研究文献综述

 2022-10-28 14:43:18
  1. 文献综述（或调研报告）：

石墨烯优点：

石墨烯引入到通过在硅波导上放置单层或双层石墨烯来进行吸收调制的调制器，并实现了微米以下的器件尺寸，这与纯Si调制器相比非常小。然而，对于Si波导的衍射极限，占空比仍然很大，并且由于入射光和位于Si波导的消逝场中的极薄的石墨烯层之间的弱相互作用，调制效率相对较低。随后，还研究了基于双层石墨烯和石墨烯槽波导的一些吸收等离子体激元调制器，其具有宽带宽（0.4 THz）和较小的器件占用面积（1.6mu;m2）。波导由银 - 硅 - 硅结构组成。它利用了混合等离激元模式的高约束特征和石墨烯的高电光效应。在TE极化的石墨烯层中，光学模式的电场强烈增强。

石墨烯光调制器发展趋势：

2011年，Ming Liu，Xiaobo Yin等人首次提出了石墨烯与硅基波导集成的光调制器[1]（如图1），并通过实验证明了它的高速、高带宽性能。如图所示，其是通过外加偏压来调节石墨烯的费米能级，进而控制光的吸收与透射，当费米能级位于阈值正负hnu;0/2之间，会有光吸收，大于正hnu;0/2或小于负hnu;0/2时透射。由此制备的调制器光学带宽是1.35mu;m – 1.6mu;m,调制深度是0.1 dB/mu;m, 3dB操作带宽达1GHz，超高的调制效率使得有源区面积只有25 mu;m2 ，是当时已知最小的调制器。但是单层石墨烯吸收率过低，并且载流子迁移率高，插入损耗高，使得这种结构的调制器消光比和带宽都非常小。

图1：单层石墨烯调制器

a：立体示意图 b:光场分布及截面图 c:显微镜下波导顶视图 d：图c中框选局部放大

2012年，为了优化调制器性能，Ming Liu等人设计并实验验证了第一个双层石墨烯光学调制器[2]（如图2）。其是将单层结构中的硅层用掺杂或未掺杂的石墨烯代替，让石墨烯与金属电极接触，避免硅层引入自由载流子，这样既增加了光吸收也减小了插入损耗。由此制备的调制器带宽为1GHz，调制深度增加到0.16dB/ mu;m，驱动电压约为5V。

图2：双层石墨烯调制器

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