混合等离子波导光电探测器

  • A+

硅石墨烯混合等离子体激元波导光电探测器超过1.55μ m

原理图配置;b。光学显微镜 C。SEM照片;d。本发明的硅-石墨烯混合等离子体激元的横截面,信号电极位于中间,接地电极位于两侧(此处采用金属-石墨烯-金属夹层结构);e。优化的硅-石墨烯混合等离子体激元波导的准TE0模式的电场分量分布;F。器件B在¦ =2μm下工作的实测频率响应(偏置电压:-0.5 V,栅极电压:2.9 V)。

硅光子学是近红外波段(1.31 / 1.55μm)的现代光通信关键技术。当前,硅光子学研究人员已尝试将该技术扩展到超过1.55μm(例如2μm)的波长带,以用于光通信,非线性光子学和芯片上感测的重要应用。然而,由于存在一些制造问题以及波长带限制,实现超过1.55μm的高性能硅基波导光电探测器仍然面临挑战。作为替代,二维材料(例如石墨烯)提供了一种有前途的解决方案,因为它具有宽工作波长带的能力以及避免设计和制造中结构失配的优势。

在《光:科学与应用》上发表的一篇论文中,来自浙江大学和东南大学的科学家通过引入新型硅石墨烯,提出并演示了超过1.55μm 的高性能波导光电探测器。混合等离子体波导。特别地,引入了顶部具有金属盖的超薄宽的硅脊芯区域,以获得独特的模场轮廓,从而增强了石墨烯的光吸收。此外,与先前的硅-石墨烯混合波导相比,制造容易并且石墨烯-金属接触电阻降低。例如,当分别在1.55μm和2μm下工作时,对于20μm长和50μm长的吸收区域,石墨烯的吸收效率高达54.3%和68.6%。

对于工作在2μm的预制光电探测器,测得的3 dB带宽> 20 GHz(受实验设置限制),而在-0.3V偏置电压下,对于0.28 mW输入光功率,响应度为30-70 mA / W。对于工作在1.55μm的光电探测器,其3 dB带宽> 40 GHz(受设置限制),而在-0.3V偏置电压下,对于0.16 mW输入光功率,测得的响应度约为0.4 A / W。

在这项工作中,仔细分析了石墨烯光电探测器的机理,这表明当在零偏置电压下工作时,光热电效应是光响应的主要机理。当光电检测器在非零偏置电压下工作时,主要机制将成为辐射热效应或光电导效应。这项全面的分析有助于更好地了解石墨烯-金属界面中的光电流生成。

科学家总结了他们工作的重点:“我们已经提出并演示了超过1.55μm的高性能硅-石墨烯混合等离子波导光电探测器。特别是,通过引入超薄宽硅,使用了新型硅-石墨烯混合等离子波导。脊芯区域顶部带有金属盖,在垂直和水平方向上均控制了光学模态,从而增强了石墨烯中的光吸收,同时使金属吸收损失最小化,这极大地帮助了石墨烯在其中的充分吸收吸收区域短。”

“以20μm的频率在2μm的硅石墨烯波导光电探测器进行了演示,其带宽为3 dB。在-0.3V的偏置电压下,对于0.28 mW的输入光功率,测得的响应度为30-70 mA / W。他们还证明了1.55μm的光电探测器具有出色的性能。目前的工作为在近红外/中红外波段上在硅上实现高响应性和高速波导光电探测器铺平了道路。”

“在未来的工作中,应该做出更多的努力来引入一些特殊的结结构,以最小化暗电流并进一步扩展工作波段。石墨烯波导光电探测器可能在中红外硅光子学中发挥重要作用,这将发挥重要作用。及时分辨光谱学,芯片实验室传感,非线性光子学以及光通信。”


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: