Chaveamento elétrico de dispositivos para modulação óptica baseados em grafeno
Abstract
The graphene-based electro-optic modulator composed by a D-shaped optical fiber and a capacitive structure with a polymethylmethacrylate (PMMA) superstrate of 700 nm thickness on the polished side was analyzed by simulation. The drive voltage between the Fermi level of 300 meV and 500 meV was 11.9 V for transverse electric (TE) mode, resulting in a modulation depth of approximately 3 dB at 1 GHz for the dielectric thickness of 50 nm. Based on these results, the goal of this work was to develop, characterize and evaluate the graphene electro-optic modulator manufacturing process, by analyzing the assembly of 2 structures: (1) the Field Effect Transistor (FET) structure on the commercial D-shaped optical fiber, presenting the extinction rate (ER) of 12,72% and insertion loss of 2,6 dB; (2) the capacitive structure with LiClO4 ionic gel on the glass blades presented the capacitance of 1.53 pF that was considered to calculate its relative permittivity 𝜀𝑟 of 5.46 and frequency of 4.8 MHz. On the D-shaped optical fiber immersed in the glass resin and polished manually, it was achieved the extinction rate of 55% and insertion loss of 13.7 dB. Although the FET structure showed lower insertion loss, the capacitive structure resulted in a higher extinction rate, demonstrating the possibility of switching and electro-optical modulation, which require the optimization of the polishing process and ionic gel solution.
Summary
O modulador eletro-óptico baseado em grafeno composto por uma fibra óptica de perfil D e uma estrutura capacitiva com um superstrato de polimetilmetacrilato (PMMA) de 700 nm de espessura sobre a lateral polida foi analisado por meio de simulação. A variação de tensão de acionamento entre os níveis de Fermi de 300 meV e 500 meV foi de 11,9 V para o modo transverso elétrico (TE) resultando em uma profundidade de modulação de aproximadamente 3 dB em 1 GHz, para a espessura do dielétrico de 50 nm. Com base nestes resultados, o objetivo deste trabalho foi desenvolver, caracterizar e avaliar o processo de fabricação de modulador eletro-óptico baseado em grafeno, analisando a montagem de 2 estruturas: (1) a estrutura de um Field Effect Transistor - transistor de efeito de campo (FET) sobre a fibra óptica de perfil D (FO-D) comercial, apresentando a taxa de extinção (ER) de 12,72% e perda de inserção de 2,6 dB; (2) a estrutura capacitiva de grafeno com gel iônico de LiClO4 montada sobre lâminas de vidro apresentou uma capacitância de 1,53 pF, de onde foi calculado sua permissividade relativa 𝜀𝑟 de 5,46 e frequência de 4,8 MHz. Sobre a fibra óptica de perfil D imersa em resina cristal e polida manualmente foi alcançada a taxa de extinção de 55% e perda de inserção de 13,7 dB. Apesar da estrutura FET apresentar menor perda por inserção, a estrutura capacitiva resultou em maior taxa de extinção demonstrando a possibilidade de chaveamento e modulação eletro-óptica sendo necessária a otimização do processo de polimento e da solução do gel iônico.
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Citation
ARAÚJO, Maria Cecília Schineider. Chaveamento elétrico de dispositivos para modulação óptica baseados em grafeno. 2019. 94 f. Dissertação ( Engenharia Elétrica ) - Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2019.
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