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Jul 11, 2023

Modulador de terahertz de grafeno altamente eficiente com transparência induzida eletromagneticamente sintonizável

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6680 (2023) Citar este artigo

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Os moduladores ópticos baseados em grafeno têm sido extensivamente estudados devido à alta mobilidade e permissividade ajustável do grafeno. No entanto, as fracas interações grafeno-luz dificultam a obtenção de uma alta profundidade de modulação com baixo consumo de energia. Aqui, propomos um modulador óptico baseado em grafeno de alto desempenho que consiste em uma estrutura de cristal fotônico e um guia de onda com grafeno que exibe um espectro de transmissão tipo transparência induzida eletromagneticamente (tipo EIT) na frequência terahertz. O modo de orientação de alto fator de qualidade para gerar a transmissão do tipo EIT aprimora a interação luz-grafeno, e o modulador projetado atinge uma alta profundidade de modulação de 98% com uma mudança de nível de Fermi significativamente pequena de 0,05 eV. O esquema proposto pode ser utilizado em dispositivos ópticos ativos que requerem baixo consumo de energia.

A faixa espectral de terahertz (THz) de 0,1 a 10 THz é uma banda de frequência importante devido às suas possíveis aplicações em vários campos, como imagens de segurança, comunicações sem fio de alta velocidade e diagnósticos biomédicos1,2,3. Nas últimas duas décadas, a geração e detecção de fontes THz alcançaram progressos substanciais e revitalizaram o desenvolvimento de tecnologias THz4. Recentemente, houve um rápido desenvolvimento nos dispositivos de metamateriais THz5,6,7,8. No entanto, ainda são necessárias mais pesquisas sobre componentes avançados no regime THz. Em particular, os moduladores ópticos THz, que são dispositivos-chave para controlar ativamente os sinais THz, são cruciais nas comunicações e imagens THz9,10,11,12. Embora tipos de moduladores ópticos THz baseados em materiais semicondutores tenham sido sugeridos13,14, suas profundidades de modulação não são suficientemente altas.

Recentemente, o grafeno atraiu atenção significativa devido às suas várias propriedades excepcionais, como alta condutividade térmica, notável mobilidade do portador e ampla largura de banda óptica15,16,17. Em particular, a propriedade óptica do grafeno pode ser facilmente controlada pela tensão de porta18. Essa sintonia permite a aplicação do grafeno em moduladores ópticos como uma camada ativa. A alta mobilidade dos portadores da ordem de 106 cm/Vs permite respostas rápidas a campos eletromagnéticos. Além disso, moduladores baseados em grafeno econômicos podem ser realizados usando o método de deposição de vapor químico (CVD). Recentemente, uma única camada de grafeno de grande área de alta qualidade cultivada por CVD foi relatada em vários estudos 19,20,21,22. No entanto, o grafeno de camada única suspenso tem uma absorção insignificante de 2,3% para incidência normal, e o efeito ajustável não é suficientemente forte para variações drásticas na absorção, transmissão ou reflexão devido à baixa interação luz-grafeno, que é um obstáculo significativo em alcançar alto desempenho de modulação.

Para melhorar a interação luz-grafeno, plasmons de grafeno foram introduzidos23,24. Nas regiões de THz e infravermelho médio, o grafeno suporta plasmons de superfície, e as propriedades dos modos plasmônicos podem ser ajustadas ajustando o nível de Fermi. Vários tipos de moduladores ópticos que utilizam plasmons e metamateriais de grafeno foram relatados e exibem alta profundidade de modulação25,26,27,28,29,30,31,32,33. No entanto, grafeno de alta qualidade (alta mobilidade) é necessário para induzir ressonância plasmônica de fator de alta qualidade (fator Q). Além disso, dopagem de grafeno de alto nível de Fermi (> 0,4 ​​eV) é necessária para alcançar alto desempenho de modulação, o que aumenta o consumo de energia. Outra abordagem para aumentar a interação luz-grafeno é adotar o efeito épsilon-near-zero (ENZ)34,35. Quando a permissividade do grafeno é aproximadamente zero, o campo elétrico é altamente confinado dentro da camada de grafeno, aumentando assim a absorção. No entanto, o efeito ENZ no grafeno ainda não foi demonstrado experimentalmente e é altamente debatido36. Inserir uma camada de grafeno em um ressonador que suporta um alto fator Q pode melhorar a interação luz-grafeno37,38,39,40. Por exemplo, moduladores ópticos com a camada de grafeno colocada em estruturas de cristal fotônico (PC) ou ressonadores de anel que suportam alta ressonância de fator Q foram sugeridos para a região de comprimento de onda de comunicação óptica. No entanto, estudos sobre moduladores ópticos combinando grafeno e ressonadores de alto fator Q na banda de frequência THz são insuficientes.