Kiselfotonik är känd som en nyckelteknologi för modern optisk kommunikation vid det nära infraröda våglängdsbandet, dvs. 1,31/1,55 μm. För närvarande har kiselfotonikforskare försökt utöka tekniken till våglängdsbandet bortom 1,55 μm, t.ex., 2 μm, för viktiga tillämpningar inom optisk kommunikation, icke-linjär fotonik, och avkänning på chip. Dock, Förverkligandet av högpresterande kiselbaserade vågledarfotodetektorer över 1,55 μm står fortfarande inför utmaningar eftersom det finns vissa tillverkningsproblem såväl som våglängdsbandsbegränsningar. Som ett alternativ, tvådimensionella material (t.ex. grafen) ger en lovande lösning på grund av förmågan till breda våglängdsband och fördelen med att undvika strukturfel i design och tillverkning.

I en tidning publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , forskare från Zhejiang University och Southeast University i Kina föreslog och demonstrerade högpresterande vågledarfotodetektorer över 1,55 μm genom att introducera en ny kisel-grafenhybrid plasmonisk vågledare. Särskilt, ett ultratunt brett kiselåskärnområde med en metallkåpa ovanpå introduceras för att erhålla en unik lägesfältprofil, så att ljusabsorptionen av grafen förbättras. Vidare, tillverkningen är enkel och grafen-metallkontaktmotståndet minskar, jämfört med de tidigare kisel-grafenhybridvågledarna. Till exempel, grafenabsorptionseffektiviteten är så hög som 54,3 % och 68,6 % för 20 μm långa och 50 μm långa absorptionsregioner, vid drift vid 1,55 μm och 2 μm, respektive.

För tillverkade fotodetektorer som arbetar vid 2 μm, de uppmätta 3 dB-bandbredderna är> 20 GHz (begränsad av experimentinställningen), medan responsiviteten är 30-70 mA/W för 0,28 mW ingående optisk effekt under -0,3V biasspänning. För fotodetektorer som arbetar vid 1,55 μm, 3 dB-bandbredden är> 40 GHz (begränsat av inställningarna), medan den uppmätta responsiviteten är cirka 0,4 A/W för 0,16 mW ingående optisk effekt under -0,3V förspänning.

I det här arbetet, mekanismer i grafenfotodetektorer analyseras noggrant, vilket antydde att den fototermoelektriska effekten är den dominerande mekanismen för fotorespons när man arbetar med noll förspänning. När fotodetektorn arbetar med förspänningar som inte är noll, den dominerande mekanismen blir den bolometriska eller fotokonduktiva effekten. Denna omfattande analys hjälper till att bättre förstå fotoströmgenereringen i grafen-metallgränssnitt.

Forskarna sammanfattar höjdpunkterna i deras arbete:"Vi har föreslagit och demonstrerat högpresterande kisel-grafenhybrid plasmoniska vågledarfotodetektorer över 1,55 μm. I synnerhet, en ny kisel-grafen hybrid plasmonisk vågledare användes genom att introducera en ultratunn bred kiselryggskärnregion med en metallkåpa ovanpå. Det optiska modala fältet manipuleras i både vertikala och horisontella riktningar. Således, ljusabsorptionen i grafen förbättras, under tiden minimeras metallabsorptionsförlusten. Detta hjälper i hög grad att uppnå tillräcklig ljusabsorption av grafen inom ett kort absorptionsområde."

"Kisel-grafen-vågledarfotodetektorerna som arbetar vid 2 μm demonstrerades med en 3 dB-bandbredd över 20 GHz. Den uppmätta responsiviteten är 30-70 mA/W vid förspänningen -0,3V för ingångseffekt på 0,28 mW. fotodetektor vid 1,55 μm demonstrerades också med utmärkt prestanda. Det nuvarande arbetet banar väg för att uppnå hög responsivitet och höghastighetsvågledarfotodetektorer på kisel för nära/mellan-infraröda våglängdsband, " lade de till.

"I framtida arbeten, fler ansträngningar bör göras för att införa några speciella korsningsstrukturer för att minimera mörkström och ytterligare utöka operationsvåglängdsbandet. Grafenvågledarfotodetektorer kan spela en viktig roll i mellaninfraröd kiselfotonik, som kommer att spela en viktig roll i tidsupplöst spektroskopi, lab-on-chip avkänning, icke-linjär fotonik, samt optisk kommunikation, " sa de.