基于石墨烯太赫茲調制器的研究

楊振興，郭旭光

（1．上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093；2．上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

石墨烯[1-2]是指單層的碳原子緊密排列到二維蜂窩晶格中的原子平面，低維碳結構還有一些其它的表現形式，包括環繞成球形的零維富勒烯，卷曲成一維的碳納米管和堆疊成三維的石墨。

由于石墨烯獨特的力學、熱學、電學和光學性能而得到了廣泛的研究。它具有奇特的電子結構[3]，其特征是在布里淵區的K和K′點有兩個線性狄拉克錐。石墨烯中的電子表現為無質量的狄拉克費米子，在室溫下表現出最高的遷移率。在很寬的電磁波譜范圍，光子與石墨烯發生強烈的相互作用。從光學上看，電子的線性色散導致了在整個紅外光譜范圍內與頻率無關的普遍吸收（πα）[4]，其中是精細結構常數。這里e是電子電荷，是約化普朗克常數，c是光速。值得注意的是，通過靜態電壓可以調節石墨烯的費米能級EF，可以有效地控制石墨烯中光-物質相互作用。一方面，當入射光的能量低于2EF時，由于泡利阻塞原理，石墨烯的帶間躍遷就被阻止。而對于能量大于2EF時，石墨烯基本上是透明的，透過率接近一個常數。此外，自由載流子的帶內躍遷通過調節柵壓會顯著增加，在紅外波段中出現類似德魯德吸收峰。石墨烯的這種自由載流子響應支持二維等離子體模式，表現出異常強的場局域能力和對載流子濃度的獨特依賴性。通過靜態電壓可以有效控制石墨烯寬帶吸收和等離子體激發的能力，許多基于石墨烯的太赫茲波段電光調制器被廣泛研究。

光學調制器就是利用物質的電光效應通過電壓來控制光的傳輸，在高速通信中處于特別重要的地位。迄今為止，基于太赫茲波段的電光調制器主要是利用石墨烯材料，它的載流子濃度可以通過調節柵極電壓來實現。科學家們已經通過實驗證明石墨烯具有折射率可調的性質，這增加了使用石墨烯材料制作電控折射率和相位可調器件的可能性。通過將石墨烯和硅波導結合的結構被廣泛研究[5]，石墨烯作為可調諧介質，光在波導結構中傳輸，介質邊緣的倏逝波和石墨烯發生強耦合，通過調節外部電壓改變石墨烯中的費米能級，進一步控制石墨烯與光波的作用強度，經過波導結構的光的透過率發生改變，主要控制出射光的振幅達到調節的作用[6]，這在光學調制器中比較常見。通過調節費米能級低于或高于閾值（），石墨烯中載流子的帶間躍遷會被“開”或“關”，通過實驗測得器件的光學帶寬從1.35 μm到1.6 μm，器件的調制速度可達到1.2 GHz，為石墨烯調制器走向應用提供了重要的支撐。此后，又對結構進一步改進，將單層石墨烯換成雙層結構，中間用介質層氧化鋁隔開。器件的調制深度達到0.16 dB/μm，比現有硅、鍺硅和銦鎵砷的調制效果都要好。

本文提出的一種基于石墨烯的太赫茲調制器將微腔和金屬光柵有效地結合起來，增強了入射光與石墨烯的相互作用，有效的提高了器件調制深度，此外，我們引入的介質層BCB（苯并環丁烯）在太赫茲波段損耗較小，進一步減小器件的插入損耗。

1 理論模型

我們將金屬光柵[7]和微腔結構有效地運用到石墨烯太赫茲調制器中，提高了入射光與石墨烯的相互作用。器件主要有三個部分組成：金屬光柵，中間夾有石墨烯的介質層，以及表面鍍有金屬的硅片。金屬光柵的周期為30 μm，占空比為50%，厚度為300 nm，微腔結構中包含CVD生長的單層石墨烯，BCB-1[8]和BCB-2。BCB-1相當于柵極介質層，在石墨烯和光柵之間加上電壓，形成類似于電容結構，BCB-2通過調節介質層厚度來改變器件的工作頻點，襯底為鍍有金屬薄膜的硅片，薄膜的厚度大于入射波的趨膚深度，入射波經過底面反射回來，進一步與石墨烯發生作用。基于光柵和微腔結構設計的器件提高了器件的調制深度，且損耗較低，在太赫茲高速通信中具有潛在應用前景。

2 器件制備

通過理論設計和尺寸優化，我們確定了器件的基本結構。器件制作也是決定器件性能的重要環節。器件結構如圖1所示，石墨烯太赫茲調制器的微納加工主要包括：基片清洗，紫外光刻，金屬蒸鍍，介質烘干，石墨烯轉移，電極開窗，剝離，打線封裝等。

圖1 太赫茲調制器結構示意圖Fig. 1 Structural diagram of terahertz modulator

所制備的原型器件結構和光柵光學顯微圖如圖2所示。

圖2 石墨烯太赫茲調制器Fig. 2 The graphene terahertz modulator device

3 結果及分析

本文數值模擬計算用Comsol軟件，我們對器件多個影響參數進行計算，分別選取了載流子遷移率，載流子濃度，以及入射角等，通過分析得到的反射率圖確定結構尺寸。微腔中的介質層我們選用BCB材料，在太赫茲波段其介電常數為 εBCB=2.6-0.00085 i，微腔上面為金屬光柵結構，用德魯德模型計算在太赫茲波段的電導率，此處設置金屬的電導率為 4.6×107S/m，在太赫茲波段，由于光子能量較小，石墨烯的躍遷方式由帶內躍遷決定，石墨烯的光電導率與費米能級變化相關，本文利用德魯德模型進行數值計算，石墨烯的薄層電導率[9]可以表示為

其中D稱為德魯德質量，可以由下式表示為

式中：VF為費米速度，取值為VF=1×106m/s；n表示石墨烯中載流子濃度。石墨烯的費米能級可以表示為

由這三個表達式可以看出，石墨烯的薄層電導率和其費米能級EF的變化關系非常緊密，通過調節費米能級可以實現對石墨烯薄層電導率的動態調制。圖3為器件反射率的計算結果。

圖3 反射率隨電壓變化圖Fig. 3 Reflectance spectra at different bias voltages.

太赫茲波垂直入射到器件表面，偏振方向垂直于光柵，仿真計算中遷移率設為1 500 cm2V-1s-1，與CVD生長石墨烯的實驗遷移率相接近。通過改變柵極電壓的大小，器件的反射率發生變化，我們可以發現反射曲線中有兩個反射谷，分別在3.5 THz和7.0 THz附近，第一個峰主要由微腔結構產生，隨著介質層的厚度變化發生位移，第二個峰由金屬光柵產生，在7.0 THz附近，亞波長光柵的一階衍射膜打開，產生較大的插入損耗相對于微腔的共振峰，不利于器件實現較高的調制深度。此外，我們發現第二個谷的Q值明顯大于第一個，在高靈敏檢測中具有廣泛應用。柵極電壓的變化范圍在0～300 V，通過調節柵極電壓的大小，石墨烯中載流子濃度發生變化，光子模式的局域電場和石墨烯發生作用，載流子濃度越大，入射光的損耗就越大。通過計算可得在3.5 THz處，器件的調制深度達到90%。

此外，我們分別制備了微腔中包含石墨烯和不包含石墨烯的器件，其它結構參數相同，通過傅里葉變換紅外光譜儀進行反射率的測試。由于設計的調制器是基于反射式的器件，在測試中需要借助反射架來固定樣品，光源發出的光經過偏振片入射到器件的角度為11°。在太赫茲波段，水汽的吸收對測試結果影響很大，因此，整個測試過程在真空腔中完成。結果如圖4所示，微腔中沒有石墨烯的器件在1～6 THz 頻段內反射率達到80%以上，產生的損耗主要有金屬的歐姆損耗和微腔中的介質損耗。微腔中包含石墨烯的器件在3.5 THz附近，有明顯的反射谷，與我們設計的調制頻點基本相同，器件測得的反射率為10%，和無石墨烯情況下對比發現，石墨烯在微腔中吸收效果達到70%，光柵和微腔的復合結構有效地提高了石墨烯的吸收。由于在器件制備過程中，石墨烯引入的缺陷和電荷轉移導致過高的殘留載流子濃度，使器件的調制深度有限，后期可以通過優化工藝來提高器件的性能，我們對測試的結果進行仿真論證，通過調節載流子濃度和石墨烯的遷移率進行擬合，當滿足遷移率在1 500 cm2V-1s-1，載流子的值為7×1012/cm2時，與測試的結果比較接近，為后期仿真優化器結構提供有效的方法。

圖4 反射率隨遷移率變化圖Fig. 4 Reflectivity versus mobility

綜上所述，我們所設計的基于石墨烯的太赫茲調制器[10]，將微腔和金屬光柵與石墨烯結合在一起，有效的提高了入射光場和石墨烯發生作用，在3.5 THz處實現接近90%的調制深度，同時具有較小的插入損耗，在太赫茲通信[11]方面具有重大意義。

4 結 論

本文研究了一種基于石墨烯的太赫茲調制器，該調制器件將金屬光柵和微腔結構與石墨烯材料相結合，有效地提高了石墨烯對入射光的吸收，底面的金屬層增強了微腔的底面反射率，在諧振點上加強了局域電場和石墨烯的相互作用。由于柵極介質層厚度較小，金屬光柵的近場增強部分和石墨烯有很大的交疊，有助于石墨烯中載流子對場的吸收。此外，我們選用的介質層BCB在太赫茲波段損耗較小，進一步減小了器件的插入損耗。在石墨烯與光柵上施加電壓，可以調節石墨烯中載流子濃度。通過仿真驗證可得，器件的工作頻點在3.5 THz，通過調節柵壓，調制深度達到90%，與傳統的調制器相比，我們設計的器件插入損耗很小，為太赫茲通信長程傳輸提供有利的條件，器件選用的介質層為柔性材料[12]，具備的可彎曲性提高了器件的應用范圍。因此，我們設計的器件在太赫茲通信，成像領域具有重要潛在應用價值，也為太赫茲波段調制器的研究提供新的思路。