像二氧化钒 (VO₂) 这样的相变材料最近在实现有效的光调制器方面受到了特别的关注。 在本文中，我们提出了一种基于 VO₂ 的高性能光调制器。该结构由两片石墨烯片堆叠构成，两片石墨烯片由 VO₂ 层隔开，全部生长在硅波导上。沿波导调制区域传播的输入光可以与结构顶部和侧面的 VO₂ 相互作用。当在石墨烯片上施加外部电压时，VO₂ 变为金属相，调制器处于关闭状态。大多数先前报道的基于 VO₂ 的调制器都是偏振敏感的，并且受到高偏振分集的影响。当这种调制器集成到包含随机偏振光的基于光纤的光学系统中时，调制效率会大大降低。在我们提出的调制器中，对结构进行了优化，以实现对偏振不敏感的响应，其断态传播损耗约为 14 dB/μm。TE (TM) 插入损耗也被计算为低至 2.25 dB/μm (3.22 dB/μm)，从而获得高达 ∼11.5 dB/μm 的消光比。此外，所需的 1.12 V 低调制电压和 390 MHz 的合理调制速度以及 2.1 fJ/bit 的低能耗可以使我们提出的调制器成为光子集成系统的良好候选者。
 
  
图 1. (a) 所提出的基于 VO2 的双层石墨烯调制器的三维和 (b) 截面图。
   图 2. 非状态传播损耗与硅波导宽度的关系。 在 w = 410 nm 处获得偏振不敏感损耗。
  图 3. 界面处的 TE 和 TM 反射率作为 VO₂ 厚度的函数，用于 VO₂ 的绝缘相和金属相。
  
图 4. (a) TE 和 (b) TM 模式下调制器的断态和通态插入损耗和相应的消光比。
  
图 5. 在 (a) 开和 (b) 关状态下调制器输出处的 TE 模式的电场分布。  (c) 开启和 (d) 关闭状态下的相应 TM 配置。 
 
图6. 沿调制器长度的 TE 模式的电场分布在 (a) 关闭和 (b) 开启状态。对应的 TM 曲线在 (c) 关闭和 (d) 开启状态。
 
 
图 7. (a) 氧化物电容和所需电压与 VO₂ 厚度 d 的函数关系。  （b）调制器能量消耗的两个组成部分，即调制器的电容损耗和 VO₂ 层的焦耳热损失，作为 VO₂ 厚度的函数，d。 
  图 8. (a) 在 IMT 和 MIT 期间 75 nm 厚的 VO₂ 层的时间温度变化。  (b) 基于 VO₂ 的偏振不敏感调制器的稳态操作。 在这里，VO₂ 的温度分别在 50 和 70 ℃ 的较低温度水平和较高温度水平之间变化。 开启和关闭状态之间的稳态切换，即 VO₂ 在绝缘相和金属相之间的相变是通过施加幅度为 1.12V、宽度为 0.53ns（第一个脉冲除外）和周期为 2.57ns 的纳秒电脉冲来完成的。  (c) 加热时间结束时器件空间温度分布的 3D 视图。 
 
图 9. 固-固界面处的热传导边界条件。
 
 
图 10. 传热边界条件，包括固-固界面和气-固界面的热传导和对流。
 
相关研究成果由塔比亚特莫达雷斯大学Mohsen Heidari和设拉子大学Shahram Bahadori-Haghigh等人2022年发表在ACS Applied Electronic Materials (https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00675)上。原文：Design and Analysis of a Polarization-Insensitive VO2/Graphene Optical Modulator Using a 3D Heat Transfer Method。

转自《石墨烯研究》公众号