Разработка и создание прототипа полностью интегральной оптической микросхемы с графеном: ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ УСТРОЙСТВ НАНОФОТОНИКИ С ГРАФЕНОМ (Этап 2)

Основанием для выполнения работ является Соглашение № 19-72-10156 между Российским научным фондом, руководителем проекта, организацией о предоставлении гранта на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований от 29.07.2019 г. Объектом исследования являются интегрально-оптические чипы из нитрида кремния с графеном. Цель выполнения ПНИ – разработка и создание полностью интегральной оптической микросхемы с графеном. Цель выполнения данного этапа ПНИ – исследование гибридных устройств нанофотоники с графеном. Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи: 1. Выполнить анализ литературы по исследованию нелинейных оптических свойств графена. 2. Исследовать влияние нелинейных свойств монослоя CVD графена, накачанного излучением высокой плотности энергии на длине волны 1.55 мкм, на слабое коротко импульсное излучение инфракрасного диапазона. 3. Разработать дизайн полевого транзистора (FET) CVD на основе инкапсулированного графена расположенного на плече интерферометра Маха-Цендера. 4. Изготовить полевой транзистор (FET) CVD на основе инкапсулированного графена, расположенного на плече интерферометра Маха-Цандера. 5. Исследовать полевой транзистор (FET) CVD на основе инкапсулированного графена, расположенного на плече интерферометра Маха-Цандера, в качестве модулятора света. 6. Исследовать полевой транзистор (FET) CVD на основе инкапсулированного графена в качестве фотодетектора света. 7. Выполнить анализ полученных результатов за год, проделать корректировку общего плана в случае необходимости. На первом этапе второго года проекта выполнен аналитический отчет, показывающий современное состояние исследований по исследованию нелинейных свойств графена, включая общую информацию по нелинейной оптике, нелинейные свойства графена и нанотрубок, насыщаемое поглощение, электро-оптические свойства, нелинейный эффект Керра. Полученные за год результаты охватывают различные аспекты создания интегральных нанофотонных микросхем с графеном, включая проектирование и численный расчет, изготовление и экспериментальное исследование. Затем, используя численное моделирование методом конечных элементов, были получены эффективный (≈1.59) и групповой (≈2.01) показатели преломления волноводных структур, рассчитаны направленные ответвители, и экспериментально измерен их коэффициент деления в зависимости от зазора между волноводами и длины взаимодействия. На основе данных численного моделирования выполнен дизайн полевого транзистора из графена на интегрально-оптическом интерферометре Маха-Цандера. Отработано несколько технологических маршрутов изготовления гибридных устройств нанофотоники, которые включают в себя фото- и электронную литографию, плазмохимическое травление, перенос CVD графена, а также инкапсуляцию гексагональным нитридом бора. После этого было выполнено исследование нелинейных свойств монослоя CVD графена, накачанного излучением высокой плотности энергии на длине волны 1.55 мкм, на слабое коротко импульсное излучение инфракрасного диапазона и определены основные нелинейные параметры, включая коэффициент насыщаемого поглощения (0,00217 дБ/мкм), обратного насыщаемого поглощения (0,0173 дБ/мкм), а также требуемую энергию импульса насыщения 2,35 нДж. Кроме этого получено четырехволновое смешение в графене и определена эффективность преобразования (около – 57,2 дБ), а также выделен вклад усиления за счет резонаторной структуры: кольцевого резонатора +1,7 дБ. На следующем этапе работы, изготовленные полевые транзисторы на основе графена, исследовались в качестве термо- и электро-оптического модулятора. В первом случае графен выступал в качестве нагревателя нитрида кремния. В этом случае полоса модуляции крайне мала (около 50-60 кГц) при умеренном коэффициенте экстинкции (около 10% в максимуме) и ограничивается медленным распределением тепла между диэлектрическими слоями. Во втором случае, за счет перестройки уровня Ферми и создания управляемого поглощения света по средствам приложения напряжения к затвору, была получена полоса модуляции (около 11,4 ГГц) и коэффициент экстинкции (ER) 8,5дБ. И, наконец, на последнем этапе работы, изготовленные нанофотонные устройства с графеном были исследованы в качестве фотодетекторов. Чувствительность детекторов в максимуме составляла 0,4 мкA/Вт, полоса преобразования 15,8 ГГц, шумы около 2 нВт/√Гц. Дополнительно была исследована конфигурация туннельного полевого транзистора в качестве детектора терагерцового излучения в международной коллаборации. На этом этапе мы исследовали фотоотклик графена на излучение с малой энергией квантов (терагерцовое излучение). Используя электрически перестраиваемую зонную структуру двухслойного графена, мы создали боковой туннельный переход и соединили его с антенной, на которую направлялось ТГц излучение. В результате чего поступающее излучение преобразовалось с понижением частоты за счет нелинейности туннельного перехода, и приводило к фотоотклику с высокой чувствительностью (> 4 кВ/Вт) вместе с низким уровнем шума (0,2 пВт/√Гц). В работе было продемонстрировано, как переход от внутризонного омического режима к межзонному туннельному режиму может повысить чувствительность детекторов на несколько порядков в соответствии с развитой теорией. Наша работа демонстрирует потенциальное применение туннельных транзисторов для обнаружения ТГц и показывает двумерный графен в качестве многообещающей платформы для этого. Выполненные работы являются вторым этапом проекта на пути создания прототипа полностью интегральной оптической микросхемы с графеном, а результаты этапа будут востребованы не только для работы в следующем году исполнения проекта, но также могут быть использованы при проектировании и создании других гибридных устройств нано- и радио- фотоники в телекоммуникационном и ближнем ИК диапазоне.