High-Performance Graphene-on-Silicon Nitride All-Optical Switch Based on a Mach–Zehnder Interferometer

消光比 干涉测量 材料科学 石墨烯 波导管 光电子学 马赫-曾德尔干涉仪 绝缘体上的硅 光开关 氮化硅 折射率 光学 硅光子学 波长 物理 纳米技术
作者
Ciyuan Qiu,Can Zhang,Huiying Zeng,Tao Guo
出处
期刊:Journal of Lightwave Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:39 (7): 2099-2105 被引量:48
标识
DOI:10.1109/jlt.2020.3045472
摘要

We propose and experimentally demonstrate a high-performance graphene-on-silicon nitride (Si3N4) all-optical switch based on a Mach-Zehnder interferometer (MZI). In our device, the graphene overlaying on a Si3N4 waveguide absorbs part of the pump light power and generates heat. Then, the Si3N4 waveguide underneath can be heated and its refractive index can be changed due to the thermo-optic effect. In this way, the phase of the probe light in the Si3N4 arm with graphene on top is tuned and all optical switching can then be implemented. In the experimental demonstration, an all-optical switch with a chip size of ~0.36 mm 2 is realized with an extinction ratio of 11 dB. The tuning efficiency is measured to be 0.00917 π/mW, which is insensitive to the wavelength of the pump light. All-optical switching is also demonstrated, while the rise and fall time constants are measured to be 571 ns and 1.29 μs, respectively. These results show that our proposed configuration provides a functional integrated component for the development of efficient all-optical control devices with a fast switching speed on the insulator platform. Moreover, by using integrated MZI structure, our design could potentially achieve a broad bandwidth.
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