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Jul 11, 2023

전자기 유도 투명도를 조정할 수 있는 고효율 그래핀 테라헤르츠 변조기

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6680(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

그래핀 기반 광 변조기는 그래핀의 높은 이동성과 조정 가능한 유전율로 인해 광범위하게 연구되어 왔습니다. 그러나 약한 그래핀-빛 상호작용으로 인해 낮은 에너지 소비로 높은 변조 깊이를 달성하기가 어렵습니다. 여기서는 테라헤르츠 주파수에서 전자기 유도 투명도 유사(EIT 유사) 투과 스펙트럼을 나타내는 그래핀 도파관과 광결정 구조로 구성된 고성능 그래핀 기반 광변조기를 제안합니다. EIT 유사 전송을 생성하는 높은 품질 인자 유도 모드는 광 그래핀 상호 작용을 향상시키고, 설계된 변조기는 0.05eV의 상당히 작은 페르미 레벨 이동으로 98%의 높은 변조 깊이를 달성합니다. 제안한 기법은 저전력 소모를 요구하는 능동형 광소자에 활용될 수 있다.

0.1~10 THz의 테라헤르츠(THz) 스펙트럼 범위는 보안 이미징, 무선 고속 통신, 생체의학 진단1,2,3 등 다양한 분야에서 잠재적으로 응용될 수 있기 때문에 중요한 주파수 대역입니다. 지난 20년 동안 THz 소스 생성 및 감지는 상당한 진전을 이루었고 THz 기술 개발을 활성화했습니다4. 최근 THz 메타물질 장치5,6,7,8가 급속히 발전하고 있습니다. 그러나 THz 체제의 고급 구성 요소에 대한 더 많은 연구가 여전히 필요합니다. 특히, THz 신호를 능동적으로 제어하기 위한 핵심 장치인 THz 광 변조기는 THz 통신 및 이미징9,10,11,12에서 매우 중요합니다. 반도체 재료를 기반으로 한 THz 광 변조기 유형이 제안되었지만 변조 깊이는 충분히 높지 않습니다.

최근 그래핀은 높은 열 전도성, 놀라운 캐리어 이동성 및 넓은 광 대역폭과 같은 몇 가지 뛰어난 특성으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. 특히 그래핀의 광학적 특성은 게이트 전압에 의해 쉽게 제어될 수 있다. 이러한 조정 가능성으로 인해 광 변조기의 그래핀을 활성층으로 적용할 수 있습니다. 106 cm/Vs 정도의 높은 캐리어 이동도는 전자기장에 대한 빠른 응답을 가능하게 합니다. 또한, 화학 기상 증착(CVD) 방법을 사용하여 비용 효율적인 그래핀 기반 변조기를 구현할 수 있습니다. 최근에는 CVD에 의해 성장된 고품질 대면적 그래핀 단일층이 여러 연구에서 보고되었습니다 19,20,21,22. 그러나 부유 단일층 그래핀은 수직 입사에 대해 2.3%의 무시할 수 있는 흡수율을 가지며, 낮은 광-그래핀 상호작용으로 인해 조정 가능한 효과는 흡수, 투과 또는 반사의 급격한 변화에 대해 충분히 강하지 않습니다. 이는 중요한 장애물입니다. 높은 변조 성능을 달성합니다.

빛-그래핀 상호작용을 개선하기 위해 그래핀 플라즈몬이 도입되었습니다. THz 및 중적외선 영역에서 그래핀은 표면 플라즈몬을 지원하며 플라즈몬 모드의 특성은 페르미 레벨을 조정하여 조정할 수 있습니다. 그래핀 플라즈몬과 메타물질을 활용하는 여러 유형의 광 변조기가 보고되었으며 높은 변조 깊이를 나타냅니다. 그러나 고품질(고이동성) 그래핀은 고품질 인자(Q 인자) 플라즈몬 공명을 유도하는 데 필요합니다. 또한 높은 변조 성능을 달성하려면 높은 페르미 레벨 그래핀 도핑(> 0.4eV)이 필요하므로 전력 소비가 증가합니다. 광-그래핀 상호작용을 증가시키는 또 다른 접근법은 ENZ(epsilon-near-zero) 효과를 채택하는 것입니다. 그래핀의 유전율이 0에 가까우면 전기장이 그래핀 층 내에 높게 갇히게 되어 흡수율이 높아집니다. 그러나 그래핀의 ENZ 효과는 아직 실험적으로 입증되지 않았으며 많은 논의가 이루어지고 있습니다. 높은 Q-인자를 지원하는 공진기에 그래핀 층을 삽입하면 빛-그래핀 상호 작용이 향상될 수 있습니다. 예를 들어, 광결정(PC) 구조에 그래핀 층을 배치한 광 변조기나 높은 Q 인자 공진을 지원하는 링 공진기가 광통신 파장 영역에 대해 제안되었습니다. 그러나 THz 주파수 대역에서 그래핀과 높은 Q 인자 공진기를 결합한 광변조기에 대한 연구는 부족한 실정이다.