创新点：南京大学现代工学院徐飞教授提出了全光纤集成的石墨烯光电器件的设计与制备工艺，设计出一种能够对石墨烯光吸收进行精细调控的光纤端面电光调制晶体管结构，并通过将电子束光刻工艺引入光纤端面这一特殊的基底上，制备得到了高集成度、低插入损耗的全光纤电光调制器。
关键词：Advanced Optical Materials，光纤器件，石墨烯，电光调制器，电子束光刻
光纤端面集成石墨烯电光调制器的(a)(b)结构示意图与(c)器件实物。
在光调控领域，石墨烯得益于其零带隙和可调的费米能级的特性而成为一种理想的光场调控材料。早期的工作将石墨烯与片上波导结合，利用倏逝场与石墨烯的相互作用，改变光的强度、相位等实现光调制。但这一方式在与光纤系统集成时将遇到不可避免的较大耦合损耗。最近十年，研究人员尝试了许多方法将石墨烯等二维材料与光纤进行直接结合，其中侧面集成通常利用微纳光纤或D形光纤的倏逝场与二维材料相互作用，以达到光调制的效果，但同样会导致较大的插入损耗和厘米量级的封装尺寸，不利于进一步小型化集成化的发展。而将二维材料集成到光纤端面上，一方面可以降低光损耗，另一方面封装尺寸也缩小至百微米量级。此前报道的光纤端面调制器往往采用双电极结构，利用电流产生的焦耳热来调节石墨烯的费米能级。但温度调制会使得器件产生不可预测的损伤，降低器件的稳定性。而相对粗糙的制备工艺也限制了石墨烯以及器件的性能。
南京大学现代工程与应用科学学院徐飞教授、丁梓轩博士研究生、徐浩天博士研究生、熊毅丰博士、周康虎硕士研究生、陈烨副研究员、陆延青教授团队针对这一问题，提出了全光纤集成的石墨烯光电器件的设计与制备工艺。团队设计出一种能够对石墨烯光吸收进行精细调控的光纤端面电光调制晶体管结构，并通过将电子束光刻工艺引入光纤端面这一特殊的基底上，制备得到了高集成度、低插入损耗的全光纤电光调制器，其光反射率可由栅极电压进行灵敏控制。相关工作发表在在Advanced Optical Materials上。
该全光纤器件采用光学反射式的三电极晶体管构型，包括以光纤纤芯为中心对称分布的两电极、覆盖纤芯的石墨烯、氧化铝绝缘介质层，以及同时作为栅极和反射镜的顶部电极。光从纤芯入射后与石墨烯作用，调制后的光被反射镜反射回光纤，由于避免了光的空间耦合，因此插入损耗极低。为了在微小的光纤端面制备这一结构，该工作将半导体工艺流程引入光纤端面，开发定制化的工艺，利用电子束光刻(EBL)实现石墨烯与电极图案的精准制备，将源、漏、栅三电极同时集成在光纤端面上，开创性地将一个完整的场效应晶体管结构封装在百微米的区域中。该器件在应用于光纤光学系统时具有结构紧凑、集成度高的特点，在调谐电光调制器的栅压时表现出灵敏的光强调制，实验展示了基于单层石墨烯的器件大于0.5%、基于少层石墨烯的器件超过1%的连续且精细的光反射率调制深度和最高6.94的电学开关比。这是领域内首次展示直接在光纤端面构建的全固态栅控电光调制器。此外，该工作的制备工艺将SOI加工的工作流程引入光纤端面微加工领域，可应用于更复杂的端面结构制备，极大地拓展了光纤端面集成器件的应用场景，为“纤上实验室”开辟了更多的可能性。
论文信息：
Gate-tunable Graphene Optical Modulator on Fiber Tip: Design and Demonstration
Zi-xuan Ding, Hao-tian Xu, Yi-feng Xiong, Kang-hu Zhou, Ye Chen, Yan-qing Lu, Fei Xu
Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.202201724
本文来自AdvancedScienceNews，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
