Moduladores de eletro-absorção integrados com materiais bidimensionais

Os materiais bidimensionais prometem avanços em diversas áreas da engenharia, graças às propriedades físico-químicas peculiares obtidas pela separação de uma única camada de minerais como por exemplo, o grafite e o fósforo negro. No campo das comunicações ópticas, o grafeno, composto por uma única camada atômica obtida a partir do grafite, tem angariado destaque em aplicações concernentes à modulação eletro-óptica. O mesmo mostra-se promissor para reduzir o tamanho, o consumo de energia e aumentar a taxa de transmissão de dados de dispositivos fotônicos integrados operando na banda C das telecomunicações (1550 nm). A utilização do grafeno em dispositivos fotônicos integrados tem sido proposta e demonstrada na plataforma da fotônica do silício com resultados promissores na modulação de amplitude binária. Por meio de simulações computacionais no software COMSOL MultiPhysics v5.3, foram projetados nesse trabalho moduladores eletro-ópticos baseados em grafeno para modulação de amplitude multinível PAM-4 sem necessidade de conversão digital-analógica (DAC). O formato PAM-4 permite dobrar a taxa de bits em relação ao formato binário sem aumento da banda eletro-óptica, dobrando assim a eficiência espectral. Logo, taxas de modulação maiores que 200 Gbit/s são calculadas nos dispositivos projetados com bandas eletro-ópticas de 83,3 GHz. Recentemente, o fósforo negro bidimensional também tem sido explorado para aplicações em moduladores operando no infravermelho médio. Simulações foram realizadas avaliando o uso de fósforo negro no comprimento de onda de 1550 nm para modulação de amplitude para confrontação de desempenho com o grafeno. Demonstra-se que quando comparado ao grafeno monocamada, o fósforo negro apresentaria uma performance superior se empregado a partir de uma espessura correspondente a 12 camadas.Two-dimensional materials herald the coming of advances in many areas of Engineering, thanks to the peculiar physicochemical properties obtained when one isolates a single layer of minerals such as graphite and black phosphorus, for example. In the field of optical communications, graphene, composed by only one layer obtained from graphite, has been conquering prominence in applications regarding electro-optic modulators. Graphene exhibits potential to diminish the size and energy consumption of integrated photonic devices operating in the C-band of telecommunications (1550 nm), as well as to increase their transmission rates. The use of graphene on integrated photonics devices has been proposed and demonstrated with encouraging results concerning binary amplitude modulation. By means of computational simulations on COMSOL MultiPhysics v5.3 software, graphene-based electro-optical modulators for PAM-4 multilevel amplitude modulation with no requirement of digital-to-analog conversion (DAC) were designed in this work. The PAM-4 format allows a two-fold increase compared to the binary format without escalating the electro-optical bandwidth. Hence, modulation speeds higher than 200 Gbit/s are calculated from the fashioned devices with electro-optical bandwidths of 83,3 GHz. Recently, two-dimensional black phosphorus has also been explored for applications in modulators operating on the mid-infrared regime. Simulations were realized evaluating the use of black phosphorus on the 1550 nm wavelength regarding amplitude modulation for performance confrontation with graphene. It is shown that when compared with monolayer graphene, black phosphorus would display superior functioning if employed starting from a thickness corresponding to 12 layers.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoFundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São PauloFundo Mackenzie de Pesquis