像二氧化釩 (VO
2) 這樣的相變材料最近在實現有效的光調制器方面受到了特別的關注。 在本文中，我們提出了一種基于 VO
2 的高性能光調制器。該結構由兩片石墨烯片堆疊構成，兩片石墨烯片由 VO
2 層隔開，全部生長在硅波導上。沿波導調制區域傳播的輸入光可以與結構頂部和側面的 VO
2 相互作用。當在石墨烯片上施加外部電壓時，VO
2 變為金屬相，調制器處于關閉狀態。大多數先前報道的基于 VO
2 的調制器都是偏振敏感的，并且受到高偏振分集的影響。當這種調制器集成到包含隨機偏振光的基于光纖的光學系統中時，調制效率會大大降低。在我們提出的調制器中，對結構進行了優化，以實現對偏振不敏感的響應，其斷態傳播損耗約為 14 dB/μm。TE (TM) 插入損耗也被計算為低至 2.25 dB/μm (3.22 dB/μm)，從而獲得高達 ∼11.5 dB/μm 的消光比。此外，所需的 1.12 V 低調制電壓和 390 MHz 的合理調制速度以及 2.1 fJ/bit 的低能耗可以使我們提出的調制器成為光子集成系統的良好候選者。
圖 1. (a) 所提出的基于 VO2 的雙層石墨烯調制器的三維和 (b) 截面圖。
圖 2. 非狀態傳播損耗與硅波導寬度的關系。 在 w = 410 nm 處獲得偏振不敏感損耗。
圖 3. 界面處的 TE 和 TM 反射率作為 VO
2 厚度的函數，用于 VO
2 的絕緣相和金屬相。
圖 4. (a) TE 和 (b) TM 模式下調制器的斷態和通態插入損耗和相應的消光比。
圖 5. 在 (a) 開和 (b) 關狀態下調制器輸出處的 TE 模式的電場分布。 (c) 開啟和 (d) 關閉狀態下的相應 TM 配置。
圖6. 沿調制器長度的 TE 模式的電場分布在 (a) 關閉和 (b) 開啟狀態。對應的 TM 曲線在 (c) 關閉和 (d) 開啟狀態。
圖 7. (a) 氧化物電容和所需電壓與 VO
2 厚度 d 的函數關系。 （b）調制器能量消耗的兩個組成部分，即調制器的電容損耗和 VO
2 層的焦耳熱損失，作為 VO
2 厚度的函數，d。
圖 8. (a) 在 IMT 和 MIT 期間 75 nm 厚的 VO
2 層的時間溫度變化。 (b) 基于 VO
2 的偏振不敏感調制器的穩態操作。 在這里，VO
2 的溫度分別在 50 和 70 ℃ 的較低溫度水平和較高溫度水平之間變化。 開啟和關閉狀態之間的穩態切換，即 VO
2 在絕緣相和金屬相之間的相變是通過施加幅度為 1.12V、寬度為 0.53ns（第一個脈沖除外）和周期為 2.57ns 的納秒電脈沖來完成的。 (c) 加熱時間結束時器件空間溫度分布的 3D 視圖。
圖 9. 固-固界面處的熱傳導邊界條件。
圖 10. 傳熱邊界條件，包括固-固界面和氣-固界面的熱傳導和對流。
相關研究成果由塔比亞特莫達雷斯大學Mohsen Heidari和設拉子大學Shahram Bahadori-Haghigh等人2022年發表在ACS Applied Electronic Materials (https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00675)上。原文：Design and Analysis of a Polarization-Insensitive VO2/Graphene Optical Modulator Using a 3D Heat Transfer Method。
轉自《石墨烯研究》公眾號
