Silicon-grafenhybrid plasmoniske bølgelederfotodetektorer ud over 1,55 um

Silicon fotonik er kendt som en nøgleteknologi til moderne optisk kommunikation på det nær infrarøde bølgelængdebånd, dvs. 1,31/1,55 μm. I øjeblikket har forskere i siliciumfotonik forsøgt at udvide teknologien til bølgelængdebåndet ud over 1,55 μm, f.eks., 2 μm, til vigtige applikationer inden for optisk kommunikation, ikke -lineær fotonik, og on-chip sensing. Imidlertid, realiseringen af ​​højtydende siliciumbaserede bølgelederfotodetektorer ud over 1,55 μm står stadig over for udfordringer, da der er nogle fabrikationsproblemer samt bølgelængdebåndsbegrænsninger. Som et alternativ, todimensionale materialer (f.eks. grafen) giver en lovende løsning på grund af evnen til brede driftsbølgelængdebånd og fordelen ved at undgå strukturfejl i design og fremstilling.

I et papir udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , forskere fra Zhejiang University og Southeast University i Kina foreslog og demonstrerede højeffektive bølgelederfotodetektorer ud over 1,55 μm ved at introducere en ny silicium-grafen hybrid plasmonisk bølgeleder. I særdeleshed, en ultra-tynd bred kerneområde af siliciumryg med en metalhætte ovenpå introduceres for at opnå en unik feltfeltprofil, så lysabsorptionen af ​​grafen forbedres. Desuden, fremstilling er let, og grafen-metal kontaktmodstand reduceres, sammenlignet med de tidligere silicium-grafenhybridbølgeledere. For eksempel, grafenabsorptionseffektiviteten er så høj som 54,3% og 68,6% for 20 μm lange og 50 μm lange absorptionsområder, ved drift ved 1,55 μm og 2 μm, henholdsvis.

For fremstillede fotodetektorer, der arbejder ved 2 μm, de målte 3 dB-båndbredder er> 20 GHz (begrænset af den eksperimentelle opsætning), mens responsiviteterne er 30-70 mA/W for 0,28 mW optisk inputeffekt under -0,3V bias -spænding. For fotodetektorer, der arbejder ved 1,55 μm, 3 dB-båndbredden er> 40 GHz (begrænset af opsætningen), mens den målte reaktionsevne er ca. 0,4 A/W for 0,16 mW input optisk effekt under -0,3V bias spænding.

I dette arbejde, mekanismer i grafenfotodetektorer analyseres omhyggeligt, hvilket antydede, at den foto-termoelektriske effekt er den dominerende mekanisme for foto-respons, når den fungerer ved nul bias-spænding. Når fotodetektoren fungerer ved forspændinger uden nul, den dominerende mekanisme bliver den bolometriske eller fotokonduktive effekt. Denne omfattende analyse hjælper bedre med at forstå fotostrømgenerationen i grafen-metal-grænseflader.

Forskerne opsummerer højdepunkterne i deres arbejde:"Vi har foreslået og demonstreret højtydende silicium-grafenhybrid plasmoniske bølgelederfotodetektorer ud over 1,55 μm. Især en ny silicium-grafenhybridplasmonisk bølgeleder blev anvendt ved at indføre et ultratyndt bredt silicium-kerneområde med en metalhætte ovenpå. Det optiske modalfelt manipuleres i både lodrette og vandrette retninger. Dermed, lysabsorptionen i grafen forbedres, i mellemtiden minimeres metalabsorptionstabet. Dette hjælper i høj grad med at opnå tilstrækkelig lysabsorption af grafen inden for et kort absorptionsområde. "

"Fotodetektorer af silicium-grafenbølgeleder, der arbejder ved 2 μm, blev demonstreret med en 3 dB-båndbredde over 20 GHz. Den målte reaktionsevne er 30-70 mA/W ved bias-spændingen på -0,3V for optisk inputeffekt på 0,28 mW. fotodetektor på 1,55 μm blev også demonstreret med fremragende ydeevne.Det nuværende arbejde baner vejen for at opnå højresponsivitet og højhastighedsbølgelederfotodetektorer på silicium til nær/mellem-infrarøde bølgelængdebånd, "tilføjede de.

"I fremtidige værker, der bør gøres en større indsats for at indføre nogle særlige forbindelsesstrukturer for at minimere mørk strøm og yderligere udvide driftens bølgelængdebånd. Grafenbølgelederfotodetektorer kan spille en vigtig rolle i mid-infrarød siliciumfotonik, som vil spille en vigtig rolle i tidsopløst spektroskopi, lab-on-chip sensing, ikke -lineær fotonik, samt optisk kommunikation, " de sagde.