Siliciumfotonica staat bekend als een sleuteltechnologie voor moderne optische communicatie op de nabij-infrarode golflengteband, d.w.z., 1,31/1,55 urn. Momenteel hebben siliciumfotonica-onderzoekers geprobeerd de technologie uit te breiden tot de golflengteband voorbij 1,55 m, bijv. 2 m, voor belangrijke toepassingen in optische communicatie, niet-lineaire fotonica, en detectie op de chip. Echter, de realisatie van hoogwaardige op silicium gebaseerde golfgeleiderfotodetectoren van meer dan 1,55 m staat nog steeds voor uitdagingen, omdat er enkele fabricageproblemen zijn en beperkingen in de golflengteband. Als een alternatief, tweedimensionale materialen (bijv. grafeen) bieden een veelbelovende oplossing vanwege het vermogen voor brede golflengtebanden en het voordeel van het vermijden van structuurmismatch in het ontwerp en de fabricage.

In een paper gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , wetenschappers van de Zhejiang University en de Southeast University in China hebben hoogwaardige golfgeleiderfotodetectoren van meer dan 1,55 m voorgesteld en gedemonstreerd door een nieuwe silicium-grafeen hybride plasmonische golfgeleider te introduceren. Vooral, een ultradun, breed siliciumkamkerngebied met een metalen kap bovenop wordt geïntroduceerd om een ​​uniek modusveldprofiel te verkrijgen, zodat de lichtabsorptie van grafeen wordt verbeterd. Verder, fabricage is eenvoudig en de contactweerstand van grafeen-metaal wordt verminderd, vergeleken met de vorige hybride golfgeleiders van silicium en grafeen. Bijvoorbeeld, absorptie-efficiëntie van grafeen is zo hoog als 54,3% en 68,6% voor 20 m lange en 50 μm lange absorptiegebieden, bij gebruik op 1,55 m en 2 μm, respectievelijk.

Voor gefabriceerde fotodetectoren die werken bij 2 m, de gemeten 3 dB bandbreedtes zijn> 20 GHz (beperkt door de experimentele opstelling), terwijl de verantwoordelijkheden 30-70 mA/W zijn voor 0,28 mW optisch ingangsvermogen onder -0,3 V voorspanning. Voor de fotodetectoren die werken bij 1,55 m, de 3 dB-bandbreedte is> 40 GHz (beperkt door de setup), terwijl de gemeten responsiviteit ongeveer 0,4 A/W is voor een optisch ingangsvermogen van 0,16 mW onder een voorspanning van -0,3 V.

In dit werk, mechanismen in grafeenfotodetectoren worden zorgvuldig geanalyseerd, wat suggereerde dat het fotothermo-elektrische effect het dominante mechanisme is voor fotorespons bij gebruik bij nulspanning. Wanneer de fotodetector werkt bij niet-nul voorspanningen, het dominante mechanisme wordt het bolometrische of fotogeleidende effect. Deze uitgebreide analyse helpt de generatie van fotostroom in grafeen-metaalinterfaces beter te begrijpen.

De wetenschappers vatten de hoogtepunten van hun werk samen:"We hebben hoogwaardige silicium-grafeen hybride plasmonische golfgeleider-fotodetectoren van meer dan 1,55 m voorgesteld en gedemonstreerd. In het bijzonder, een nieuwe hybride plasmonische golfgeleider van silicium en grafeen werd gebruikt door een ultradun breed siliciumkamkerngebied met een metalen dop erop te introduceren. Het optische modale veld wordt zowel in verticale als horizontale richting gemanipuleerd. Dus, de lichtabsorptie in grafeen wordt verbeterd, ondertussen wordt het metaalabsorptieverlies geminimaliseerd. Dit helpt enorm om voldoende lichtabsorptie van grafeen binnen een kort absorptiegebied te bereiken."

"De silicium-grafeen golfgeleider-fotodetectoren die werkten bij 2 m werden gedemonstreerd met een bandbreedte van 3 dB boven 20 GHz. De gemeten responsiviteit is 30-70 mA/W bij een voorspanning van -0,3V voor een optisch ingangsvermogen van 0,28 mW. fotodetector bij 1,55 m werd ook gedemonstreerd met uitstekende prestaties. Het huidige werk maakt de weg vrij voor het bereiken van zeer responsieve en snelle golfgeleiderfotodetectoren op silicium voor nabije / midden-infrarode golflengtebanden, " voegden ze eraan toe.

"In toekomstige werken, er moeten meer inspanningen worden geleverd om enkele speciale junctiestructuren te introduceren om donkerstroom te minimaliseren en de werkingsgolflengteband verder uit te breiden. Grafeengolfgeleiderfotodetectoren kunnen een belangrijke rol spelen in mid-infrarood siliciumfotonica, die een belangrijke rol zullen spelen bij tijdsopgeloste spectroscopie, lab-on-chip detectie, niet-lineaire fotonica, evenals optische communicatie, " ze zeiden.