Design and optimization of optical modulators based on ... - arXiv

12 downloads 2543 Views 2MB Size Report
nescent fiel calculations. Optical an active inde aphene are hanged via c oltage. Not t of permitt s properties esign, and o veguide dim a SiNx wav. 3-µm-thick. 6].
 

Design and optimization of optical modulators based on graphene‐on‐silicon nitride microring resonators  

Zeru  Wu,  Yujie  Chen*,  Tianyou  Zhang,  Zengkai  Shao,  Yuanhui  Wen,  Pengfei  Xu,  Yanfeng Zhang, and Siyuan Yu    State  Key  Laboratory  of  Optoelectronic  Materials  and  Technologies,  School  of  Electronics and Information Technology, Sun Yat‐sen University, Guangzhou 510275,  China    *E‐mail: [email protected] (Yujie Chen)     

Abstract  In order to overcome the challenge of obtaining high modulation depth due to weak  graphene‐light  interaction,  a  graphene‐on‐silicon  nitride  (SiNx)  microring  resonator  based  on  graphene’s  gate‐tunable  optical  conductivity  is  proposed  and  studied.  Geometrical parameters of graphene‐on‐SiNx waveguide are systematically analyzed  and  optimized,  yielding  a  loss  tunability  of  0.04  dB/μm  and  an  effective  index  variation  of  0.0022.  We  explicitly  study  the  interaction  between  graphene  and  a  40‐μm‐radius  microring  resonator,  where  electro‐absorptive  and  electro‐refractive  modulation are both taken into account. By choosing appropriate graphene coverage  and  coupling  coefficient,  a  high  modulation  depth  of  over  40  dB  with  large  fabrication tolerance is obtained.     

1. Introduction    Graphene  photonics  has  received  a  lot  of  interest  due  to  its  outstanding  electrical  and optical  properties of ultrahigh carrier mobility [1], wide operational bandwidth  [2], and electrically tunable conductivity [3]. graphene‐based photonics devices such  as high‐speed photodetectors [4,5], electro‐optical modulators [6,7], optical polarizer  [8] have been demonstrated.    Integrating graphene with passive optical waveguide structures is an effective way to  enhance  the  interaction  between  light  and  the  graphene  sheet  [9].  However,  the  overlap between the evanescent field and graphene is not strong enough to obtain a  significant change of optical absorption [10]. To extend the graphene‐light interaction,  exploiting  resonant‐enhanced  cavity  structure  is  a  promising  approach  and  several  silicon  cavity  integrated  graphene‐based  photonics  devices  with  enhanced  performance  have  been  reported  [11–15].  Compared  to  silicon  waveguides,  silicon  nitride  (SiNx)  waveguides  have  much  lower  losses,  broader  transparency  windows,  smaller  thermal‐optic  effects,  and  larger  fabrication  tolerance  [16].  Therefore,  graphene‐based  device  integrated  on  SiNx  platform  may  afford  better  performance  [17–20].    1   

 

In  tthis  work,  a  a comprehe ensive  studdy  on  the  design  d optim mization  off  graphene‐‐SiNx  microring modulator is presented. Thhis involves firstly a detailed analyysis of optim mum  wavveguide  parameters  for  f enhanc ed  grapheme‐light  in nteraction.  Based  on  the  optiimized  wavveguide  stru ucture,  sevveral  design n  principless  for  grapheene‐based  SiNx  microring mod dulator devices are prooposed. The ese design rrules are th en applied  to a  40‐μ μm‐radius  microring  m modulator  m tto  produced  optimized d  device  deesigns  that can  provvide a high modulation n depth of oover 40 dB.   2. Simulation o of graphene e‐SiNx waveeguides  2.1 Modelling methodolo ogy for simu ulation  Ourr  simulation ns  are  perfo ormed  usin g  the  finite e  differentia al  eigonmodde  solver  (FDE)  and d  graphene  is  charactterized  usinng  a  surfacce  conducttivity  modeel.  The  surrface  e derived fro om the Kubbo formula [[21],  conductivity off a single layyer of graphhene can be  ( ,  , , T ) 

  f d ( )  f d ( ) ie 2 (  i 2)   f d ( ) f d ( ) d   )d       0  ( 2 0 (  i 2 ) 2  4( ) 22                       (1) 

wheere     is th he radian frrequency off incident ligght,     the e reduced P lank’s consttant,     tthe chemical potential that can b be electro‐sttatically con ntrolled,     the scatte ering   

ratee, T the tem mperature, aand e is thee charge off an electron.  f d ( )  (e k T  1) 1   iss the  B

Ferm mi‐Dirac  distribution,  in  which  kB   is  the  Boltzmann’s  constant..  The  first  and  seco ond  integraal  term  represent  intraaband  and  interband  conductivitty,  respectively.  Herre   0  e2 4  60.85 μS   is  the  m minimum  conductivity c y  in  the  opptical‐freque ency  regiime. 

 

Fig.  1.  Electriccal  and  opttical  properrties  including  (a)  con nductivity,  ((b)  permitttivity  dex, and (d ) absorption coefficien nt of single  layer graph hene  constant, (c) reefractive ind as aa function of chemical p potential foor    1.55 μm ,    0.08 eV and  T  3000 K .  2   

 

Thee following ccalculationss are based  on the incident light w with   1.555 μm,   0.088 eV,   and d  T  300 K.   Optical  an nd  electricaal  propertie es  including g  conductiviity,  permitttivity  constant,  refraactive  index,  and  abssorption  co oefficient  as  a  functioon  of  chem mical  poteential of graaphene are shown in FFig. 1. The optical and e electrical prroperties can be  dram matically ch hanged via cchemical pootential tuning, which ccan be easi ly controlled by  an  applied  vo oltage.  Notte  that  whhen  chemiccal  potentia al  increasees,  the  sign n  of  imaginary partt of permitttivity constaant can shifft from positive to neggative, impllying  m dielectric‐‐like to metaallic‐like [22 2].  thatt graphene’s propertiess can be moodified from   2.2 Analysis, design, and o optimizatio on of graphe ene‐SiNx wa aveguides  Effeect  of  wavveguide  dim mensions  and  polariization  of  guided  m modes  on  light  prop pagation in a SiNx waveguide is innvestigated firstly. The refractive inndices of sillicon  nitride  and  a  3‐μm‐thickk  silicon  diooxide  (SiO2)  ) substrate  layer  are  1.95  and  1.46,  1 resp pectively [16]. The elecctric field ddistribution  of a quasi‐T TE guided m mode is plo otted  in  FFig.  2(a).  To o  improve  electroabso e rption  mod dulation  efficiency,  thee  optical  po ower  confined at thee interface between thhe graphene e sheet and d the wavegguide should be  3].  We  pe erform  an  exhaustive e  paramete er  sweep  oof  geomettrical  maxximized  [23 paraameters  of  an  air‐clad d  SiNx  waveeguide.  Afte er  several  algebraic  a stteps,  the  siingle  mod de condition and corre esponding ooptical pow wer confinem ment (definned as the rratio  of  p power  in  th he  vicinity  of  o the  top  ssurface  to  the  t total  po ower  in  thee  waveguide)  is  illusstratively sh hown in Figss. 2(b) and  2(c). Powerr confineme ent of the eevanescent field  in  aa  quasi‐TE  mode  wavveguide  is  much  largger  than  th hat  in  a  qquasi‐TM  mode  m wavveguide. For a single T TE mode waaveguide with a cross‐section of 11.09 μm ×  0.33  μm,, power con nfinement rreaches to 33.6% while tthe maximu um power cconfinement for  a  single  TM  mode  waveguide  is  0.800%,  with  a  cross‐sectio on  of  0.61  μm  ×  0.54  μm.  Thu us,  to  imp prove  electtroabsorptioon  modulaation  efficiency,  a  qquasi‐TE  mode  m ptical  wavveguide  witth  a  larger  overlap  beetween  graphene  layer  and  proppagating  op mod de is preferaable.     

 

Fig. 2 (a) Cross‐‐section of the SiNx waaveguide with an overla ay of electriic field intensity,  (b)  single mode condition n of the SiN Nx waveguid de, and (c) p power conffinement off the  evanescent fielld in the viccinity of wavveguide surrface versus geometricaal paramete ers.      3   

 

Afteer optimizattion, a TE m mode wavegguide with aa cross‐secttion of 1.099 μm × 0.33 3 μm  is  sselected  for  further  simulation.  s Effective  index  and  propagatioon  loss  of  the  wavveguide as aa function o of chemical  potential o of graphene e is shown iin Fig. 3(a). It is  veryy  importantt  to  be  awaare  that  booth  effective e  index  and d  loss  have  e  steep  changes  arou und 0.4 eV  ~ 0.6 eV. A A loss tunabbility     of about 0.0 o 04 dB/μm aand an effecctive  indeex change  Δneff   of 0.0022 can b e achieved,, which is m much more  significant tthan  thatt  of  a  TM  mode  wavveguide.  Onn  the  othe er  hand,  with  sufficieent  variation  of  effeective  indexx  but  much h  lower  los s,  a  TM  mode  m waveg guide  is  moore  suitable e  for  construction  of  o an  electtro‐refractivve  phase  modulator  m [24–26]  [ .Noote  that  th hese  design principles for graphene‐SiNx w waveguidess are quite d different froom graphen ne‐Si  wavveguides, ass quasi‐TM  modes exhhibit stronge er interactio on over quaasi‐TE mode es in  Si‐b based  structtures  [27].  This  is  du e  to  the  re elative  low  refractive  index  conttrast  betw ween SiNx aand SiO2, w which resultss in a large  substrate leakage losss [28]. In fact, a  TE m mode waveeguide is more compattible with tthe on‐chip  optical inteegrated circcuits  because most llaser diodess are operatting with TEE polarizatio on [10].    Thee bending lo oss of an un ndoped gra phene‐SiNx waveguide e as a funct ion of radiu us of  curvvature  is  also  obtained d  [29],  as  sshown  in  Fig.  3(b).  When  the  beending  radiu us  is  largger than 35  μm, a limitting value i n the orderr of 0.06 dB B/μm is obttained, whicch is  exacctly the valu ue of the lo oss of the sttraight grap phene‐SiNx w waveguide w we have so olved  abo ove.  Thus,  we  conclude  that  thhe  bending  loss  of  th he  microrinng  structurre  is  neggligible for raadius greate er than 35 μ μm.   

 

Fig.  3. (a) Effecctive index  and propaggation loss  of the grap phene‐SiNx w waveguide  as a  funcction of cheemical potential of gra phene. (b) Bending losss versus beending radiu us of  the waveguide.    3. O Optical mod dulators bassed on grap phene‐on‐SiiNx microrin ng resonatoors  3.1 Theoretical analysis fo or microringg resonatorr  To  achieve  a  better  performance,  it’s  imporrtant  to  in nvestigate  tthe  interacction  ween  grap phene  and  microring  resonatorss.  Here  we e  study  th e  influence e  of  betw grap phene induced electro o‐refractive  phase mod dulation effect and eleectro‐absorp ptive  4   

 

amp plitude  mo odulation  effect  e [30],   which  bo oth  play  an  importannt  role  in  the  mod dulator. Con nsidering an n all‐pass tyype microrin ng resonato or structuree with graph hene  coveering  length  of  L,  as  schematical s lly  shown  in  Fig.  4.  κ is  the  field   cross  coup pling  2 2 coefficient, r is the transm mission coeffficient of th he coupling region andd    r  1 in a  losssless coupleer.     

 

Fig.44 (a) Schem matic illustraation of the  proposed ggraphene‐o on‐SiNx micrroring reson nator.  (b) D Dependenccy of κ on co oupling gap  of the micrroring reson nator.   

  upling coeffficient of  a  microring rresonator ccan be derivved based oon the coupled  Cou mod de theory (C CMT) [31]. For a pair oof waveguid des with a w width of 2a  and a heigh ht of  2d, the mode ccoupling coe efficient is ddescribed b by:  2

 

K=

2

 0 ( n1  n0 ) 2



  

d

* 

E1x  E1x dxd dy a d  * E1x  H 1 y dxdy  

  

a



 

(1) 

n1  aand  n0 repreesent  the  refractive  inndices  of  waveguide  and  substratte,  respectively.  Thu us  the  cou upling  coeffficient  for  a  microring  resonattor  can  bee  obtained d  by  e coupling rregion,  inteegrating oveer the entire 

 

  = sin(R  2 K exp(  (g  2 R  sinn 2 ))  cos2   d  )     

2

2

(2) 

2 2 2 wheere  g  is  th he  couplingg  gap  and     k0 n0 .  The  coupling  ccoefficient  as  a a 

funcction of gap p spacing is plotted in FFig. 4(b).  TThe loss coeefficient of tthe graphenne‐SiNx microring can b be written aas:   

a  exp(0.5 GSN  L)  exp[0.5 SN  (2 R  L)]  

  (3) 

wheere  R  is  thee  radius  of  the  microriing,   SN   and   GSN   arre  the  proppagation  losss  of  5   

 

pure  SiNx  waveguides  and  graphene‐on‐SiNx  waveguides,  respectively.  Here   SN =  0.79 dB/cm is used [15]. Thus the transmission power is:   

Pout r 2  a 2  2ar  cos  T     Pin 1  a 2 r 2  2ar  cos 

(4) 

where     is the roundtrip phase shift and can be expressed as: 

 

 L  i

c

i



GSN 2  neff  L  neffSN  (2 R  L) 



  

(5) 

Then extinction ratio (ER) and insertion loss (IL) can be obtained by:   

 

Tmax (r  a) 2 (1  ra) 2 ER  10 log10  10 log10 Tmin (r  a)2 (1  ra) 2     IL  10 log10 Tmin

(r  a)2  10 log10    (1  ra) 2

(6) 

(7) 

  3.2 Numerical simulations and results  According to the discussion above, an all‐pass type microring resonator with a radius  of 40 μm is studied. Resonant wavelength around 1.55μm determined by chemical  potential  of  graphene  and  graphene  coverage 

 L / 2 R 

  is  estimated  to 

1.551±0.0005  μm.  Thus  we  fix  the  wavelength  at  1.551  μm  and  investigate  the  modulation depth (MD) at a high absorption state (μ=0.1 eV) and a low absorption  state  (μ=0.6  eV)  with  respect  to  graphene  coverage  and  power  cross  coupling  coefficient,  which  is  shown  in  Fig.  5(a).  Modulation  depth  is  defined  as  T    0.6 eV   T    0.1 eV  .  For  each  coupling  coefficient,  there  are  two 

modulation  depth  peaks,  which  is  significant  when  κ²>0.5.  Thus  a  relatively  high  cross coupling coefficient κ can gives rise to high modulation efficiency.      Moreover, from the perspective of graphene‐based device fabrication in practice, a  high  κ  is  preferable  for  modulator  design.  As  a  matter  of  fact,  while  fabrication  of  graphene‐based devices seems simple, there are still a few inevitable problems, for  instances,  wrinkles,  tears  and  pinholes  on  graphene  usually  exists  [32]  due  to  its  single‐atom‐thickness.  Thus  it  is  necessary  to  consider  the  impact  of  fabrication  tolerance  on  imperfect  graphene  coverage.  According  to  theoretical  analysis  of  microring  resonator,  the  critical  coupling  condition  is  achieved  by  tuning  the  transmission coefficient r to balance the circulating loss coefficient a. Once chemical  potential  and  coupling  coefficient  are  settled,  there  is  an  optimum  graphene  coverage  satisfying  the  critical  coupling  condition,  which  we  defined  as  critical  6   

 

coveerage. Critical coveragge as a funcction of power couplin ng coefficieent is plotte ed in  Fig.  5(b).  At  a  fixed  coup pling  coefficcient,  graph hene  critica al  coverage   monotono ously  decreases  with h  decrease  of  chemic al  potentiaal.  For  exam mple,  criticaal  coverage e  for  % at μ=0.6 eeV to 4.6% at μ=0.1 eV V, suggestinng the micro oring  κ²=00.5 decreases from 13% can  always  be  tuned  to  critical  c couppling  condittion  within  this  range  by  applying  an  app propriate  vo oltage,  thuss  an  8.4%  fabrication n  tolerance  of  grapheene  coveragge  is  acceeptable. Ob bviously, a h higher tolerrance is obttained whe en circulatinng power in n the  microring increeases. As a  result, in ppractice, it  is essential that graphhene integrated  microring  reso onators  sh hould  be  ddesigned  to  have  a  relatively  high  coup pling  coefficient. 

Fig. 5 (a) Modu ulation deptth as a functtion of grap phene coverage and poower coupling  coefficient. (b) Relationship betweenn power cou upling coefffficient and ccritical  coveerage.   

Baseed on the aanalysis abo ove, the couupling gap o of the micro oring resonaator is desiggned  to b be appropriately 120 nm, which ccorrespondss to a high p power couppling coefficcient  κ²=00.75 with a  17.1% coverage toler ance. Then modulation depth an d insertion  loss  with h  respect  to  graphe ene  coveraage  and  ch hemical  po otential  (λ==1.551  μm m)  is  inveestigated  ass  shown  in Fig.  6,  whhich  provide es  guideline es  for  chooosing  a  suittable  worrking point. An extremely high moodulation de epth can be e obtained w when graph hene  7   

 

coveerage  is  about  20%  and  chem mical  potential  is  tuned  to  aboout  1eV,  which  w corrresponds  to o  a  critical  coupling  pooint.  Howevver,  one  ca an  see  that  from  Fig.  6(b),  6 inseertion  loss  also  reache es  its  maxiimum  value e  when  a  high  modu lation  deptth  is  achieved.  Thuss  a  tradeofff  between  modulation n  depth  and d  insertion  loss  should d  be  considered.   

Fig.  6 (a) Modu ulation deptth, and (b) iinsertion lo oss as a funcction of cheemical potential  of ggraphene an nd graphene e coverage    

Finaally,  we  sim mulated  the e  transmisssion  spectraa  of  differe ent  chemicaal  potentials  at  fixed coveragee, as exhibitted in Fig. 77. Note that the value es of coveraage 14%, 21 1.4%  d 26.3% are calculated by Eq. (4), w which are critical coverage for μ == 0.4 eV, μ = = 0.5  and wavelength and  eV, μ = 0.6 eV. The insets in Fig. 7(b),, (d) and (f) show the rresonance w corrresponding  modulatio on  depth(M MD)  and  inssertion  losss(IL).  On  thhe  basis  of the  theo orectical  an nalysis,  the  microring  resonator  can  always  be  tuned  into  resonaance  from m 14% coveerage to 26..3% coveragge, indicatin ng that we can select aa 20% coverage  with h a large fabrication to olerance of  12% (i.e., ± ±6%) for design. Whenn the resonaance  is  sset  at  a  higgh  absorpttion  workinng  point  (μ μ  =  0.4  eV)),  insertionn  loss  is  raather  sign nificant.  By  increasingg  graphenee  coating  length  the  resonancee  point  can n  be  mod dified to a  low absorp ption state,  achieving aa lower inse ertion loss.  Besides, laarger  grap phene coveerage results in a lowerr quality facctor, so pho oton lifetimee will not afffect  devvice bandwid dth [18].    8   

 

 

Fig.  7 Simulateed transmission spectrra and corre esponding m modulation  depth with h (a)  (b) 114.0% , (c) ((d) 21.4% and (e) (f) 266.3% coveraage of graph hene for diff fferent chem mical  poteential.     

4. C Conclusion  In summary, w we investigate the tunaable loss and d effective index in graaphene‐on‐SiNx  wavveguides  wh hich  exploitts  graphenee’s  controlllable  optica al  conductivvity.  It  is  fo ound  thatt TE polarizaation mode e is more suuitable for ggraphene‐SiNx modulattors, with w which  a  lo oss  tunabilitty  of  0.04  dB/μm  andd  an  effectiive  index  variation  of  0.0022  can n  be  achieved  afterr  optimizingg  waveguid e  dimensio ons.  Using  microring  m bbending  rad dii  of  largger  than  35  μm,  where e  bending  lloss  is  insiggnificant  compared  to  the  absorp ption  losss  of  graphene,  graph hene‐on‐SiN Nx  microrin ng  modulators  are  coomprehensively  optiimized conssidering the e impacts oof coupling ccoefficient and chemiccal potentiaal on  mod dulation deepth and inssertion loss,, providing  important instructionss for the de esign  of  ggraphene‐b based  micro oring  resonnator.  Simu ulation  results  indicatte  that  witth  a  relaatively  high  power  cou upling  coeffficient  κ²=0 0.75  and  prroper  graphhene  coverrage,  mulltiple pointss of operatiion can be  found. Exemplary designs with hhigh modulaation  dep pth of ~40 d dB can be ob btained fro m a microring modulator of 40 μm m radius with a  grap phene coveerage rangin ng from 14% % to 26.3%.   9   

 

Acknowledgment  This work is supported by National Basic Research Program of China (973 Program)  (2014CB340000,  2012CB315702);  Natural  Science  Foundations  of  China  (61323001,  61490715,  51403244,  11304401);  Natural  Science  Foundation  of  Guangdong  Province  (2014A030313104);  Fundamental  Research  Funds  for  the  Central  Universities of China (Sun Yat‐sen University: 13lpgy65, 15lgpy04, 15lgzs095, 15lgjc25,  16lgjc16); Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of  China (20130171120012).     

References  1. Q. Bao and K. P. Loh, “Graphene photonics, plasmonics, and broadband  optoelectronic Devices,” Acs Nano 6(5), 3677‐3694 (2012).    2. F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen,  “Gate‐variable optical transitions in graphene,” Science 320(5873), 206‐209  (2008).  3. E. Hendry, P. J. Hale, J. Moger, A. K. Savchenko, and S. A. Mikhailov, “Coherent  nonlinear optical response of graphene,” Phys. Rev. Lett. 105(9), 097401 (2010).  4. F. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes‐Garcia, and P. Avouris, “Ultrafast graphene  photodetector,” Nature Nanotech. 4(12), 839‐843 (2009).    5. D. Schall, D. Neumaier, M. Mohsin, B. Chmielak, J. Bolten, C. Porschatis, A.  Prinzen, C. Matheisen, W. Kuebart, B. Junginger, W. Templ, A. L. Giesecke, and H.  Kurz, “50 GBit/s photodetectors based on wafer‐scale graphene for integrated  silicon photonic communication systems,” ACS Photonics, 1(9), 781‐784 (2014).  6. N. Youngblood, Y. Anugrah, R. Ma, S. J. Koester, and M. Li, “Multifunctional  graphene optical modulator and photodetector integrated on silicon waveguides,”  Nano Lett. 14(5), 2741‐2746 (2014).  7. W. Li, B. Chen, C. Meng, W. Fang, Y. Xiao, X. Li, Z. Hu, Y. Xu, L. Tong, H. Wang, W.  Liu, J. Bao, and Y. R. Shen, “Ultrafast all‐optical graphene modulator,” Nano Lett.  14(2), 955‐959 (2014).  8. Q. Bao, H. Zhang, B. Wang, Z. Ni, C. H. Y. X. Lim, Y. Wang, D. Y. Tang, and K. P. Loh,  “Broadband graphene polarizer,” Nature Photon. 5(7), 411‐415 (2011).  9. S. J. Koester and M. Li, “Waveguide‐coupled graphene optoelectronics,” IEEE J.  Sel. Top. Quant. 20(1), 6000211 (2014).  10. Y. Ding, X. Zhu, S. Xiao, H. Hu, L. H. Frandsen, N. A. Mortensen, and K. Yvind,  "Effective electro‐optical modulation with high extinction ratio by a graphene– silicon microring resonator," Nano Lett. 15(7), 4393‐4400 (2015).    11. M. Furchi, A. Urich, A. Pospischil, G. Lilley, K. Unterrainer, H. Detz, P. Klang, A. M.  Andrews, W. Schrenk, G. Strasser, and T. Mueller, “Microcavity‐integrated  graphene photodetector,” Nano Lett. 12(6), 2773‐2777 (2012).  12. X. Gan, K. F. Mak, Y. Gao, Y. You, F. Hatami, J. Hone, T. F. Heintz, and D. Englund,  “Strong enhancement of light–matter interaction in graphene coupled to a  photonic crystal nanocavity,” Nano Lett. 12(11), 5626‐5631 (2012).  10   

 

13. C. Qiu, W. Gao, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, and Q. Xu, “Efficient modulation  of 1.55 μm radiation with gated graphene on a silicon microring resonator,”  Nano Lett. 14(12), 6811‐6815 (2014).    14. X. Gan, R. J. Shiue, Y. Gao, K. F. Mak, X. Yao, L. Li, A. Szep, D. WalkerJr., J. Hone, T.  F. Heinz, and D. Englund, “High‐contrast electrooptic modulation of a photonic  crystal nanocavity by electrical gating of graphene,” Nano lett. 13(2), 691‐696  (2013).  15. Y. Gao, R. J. Shiue, X. Gan, L. Li, C. Peng, I. Meric, L. Wang, A. Szep, D. WalkerJr, J.  Hone, and D. Englund, “High‐speed electro‐optic modulator integrated with  graphene‐boron nitride heterostructure and photonic crystal nanocavity,” Nano  Lett. 15(3), 2001‐2005 (2015).  16. Z. Shao, Y. Chen, H. Chen, Y. Zhang, F. Zhang, J. Jian, Z. Fan, L. Liu, C. Yang, L. Zhou,  and S. Yu, “Ultra‐low temperature silicon nitride photonic integration platform,”  Opt. Express 24(3), 1865‐1872 (2016).  17. J. Wang, Z. Cheng, C. Shu, and H. K. Tsang, “Optical absorption in  graphene‐on‐silicon nitride microring resonators,” IEEE Photonic Tech. L. 27(16),  1765‐1767 (2015).    18. C. T. Phare, Y. H. D. Lee, J. Cardenas, and M. Lipson, “Graphene electro‐optic  modulator with 30 GHz bandwidth,” Nature Photon. 9(8), 511‐514 (2015).    19. J. Wang, Z. Cheng, Z. Chen, J. B. Xu, H. K. Tsang, and Shu, C. “Graphene  photodetector integrated on silicon nitride waveguide,” J. Appl. Phys. 117(14),  144504 (2015).  20. Z. Lu and W. Zhao, “Nanoscale electro‐optic modulators based on graphene‐slot  waveguide,” J. Opt. Soc. Am. B. 29(6), 1490‐1496 (2012)  21. G. W. Hanson, “Dyadic Green’s functions and guided surface waves for a surface  conductivity model of graphene,” J. Appl. Phys. 103(6), 0643021–0643028  (2008).    22. S. Ye, Z. Wang, L. Tang, Y. Zhang, R. Lu, and Y. Liu, “Electro‐absorption optical  modulator using dual‐graphene‐on‐graphene configuration,” Opt. Express,  22(21), 26173‐26180 (2014).    23. M. Liu, X. Yin, E. Ulin‐Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and    X. Zhang, “A  graphene‐based broadband optical modulator,” Nature 474(7349), 64‐67 (2011).  24. S. W. Ye, F. Yuan, X. H. Zou, M. Shah, R. G. Lu, and Y. Liu, “High‐speed optical  phase modulator based on graphene‐silicon waveguide,” IEEE J. Sel. Top. Quant.  23(1), 3400105 (2017).  25. R. Hao, W. Du, H. Chen, X. Jin, L. Yang, and E. Li, “Ultra‐compact optical  modulator by graphene induced electro‐refraction effect,” Appl. Phys. Lett.  103(6), 061116 (2013).  26. M. Mohsin, D. Neumaier, D. Schall, M. Otto, C. Matheisen, A. L. Giesecke, A. A.  Sagade, and H. Kurz, “Experimental verification of electro‐refractive phase  modulation in graphene,” Sci. Rep. 5, 10967 (2015). 

11   

 

27. L. A. Shiramin and D. Van Thourhout, “Graphene Modulators and Switches  Integrated on Silicon and Silicon Nitride Waveguide,” IEEE J. Sel. Top. Quant.  23(1), 3400105 (2017).  28. A. Phatak, Z. Cheng, C. Qin, and K. Goda, “Design of electro‐optic modulators  based on graphene‐on‐silicon slot waveguides,” Opt. Lett. 41(11), 2501‐2504  (2016).  29. M. Midrio, S. Boscolo, M. Moresco, M. Romagnoli, C. De Angelis, A. Locatelli, and  A. D. Capobianco, “Graphene–assisted critically–coupled optical ring modulator,”  Opt. Express, 20(21), 23144‐23155 (2012).    30. J. Capmany, D. Doménech, and P. Muñoz, “Graphene integrated microwave  photonics,” J. Lightwave Technol. 32(20), 3785‐3796 (2014).  31. K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides (Elsevier Academic 2000).  32. J. Y. Hong, Y. C. Shin, A. Zubair, Y. Mao, T. Palacios, M. S. Dresselhaus, S. H. Kim  and J. Kong, “A rational strategy for graphene transfer on substrates with rough  features,” Adv. Mater. 28(12), 2382‐2392 (2016).       

12   

Suggest Documents