La fotónica de silicio es conocida como una tecnología clave para las comunicaciones ópticas modernas en la banda de longitud de onda del infrarrojo cercano. es decir., 1,31 / 1,55 µm. Actualmente, los investigadores de fotónica de silicio han intentado extender la tecnología a la banda de longitud de onda más allá de 1,55 μm, p.ej., 2 micras para aplicaciones importantes en comunicaciones ópticas, fotónica no lineal, y detección en chip. Sin embargo, La realización de fotodetectores de guía de ondas basados ​​en silicio de alto rendimiento más allá de 1,55 μm todavía enfrenta desafíos, ya que existen algunos problemas de fabricación, así como limitaciones de banda de longitud de onda. Como alternativa, materiales bidimensionales (p. ej., grafeno) proporcionan una solución prometedora debido a la capacidad de amplias bandas de longitud de onda de funcionamiento y la ventaja de evitar el desajuste de estructuras en el diseño y la fabricación.

En un artículo publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Científicos de la Universidad de Zhejiang y la Universidad del Sudeste de China propusieron y demostraron fotodetectores de guía de ondas de alto rendimiento más allá de 1,55 μm mediante la introducción de una nueva guía de ondas plasmónica híbrida de silicio-grafeno. En particular, Se introduce una región de núcleo de cresta de silicio de ancho ultradelgado con una tapa de metal encima para obtener un perfil de campo de modo único, para que se mejore la absorción de luz del grafeno. Es más, la fabricación es fácil y se reduce la resistencia al contacto entre el grafeno y el metal, en comparación con las guías de onda híbridas de silicio-grafeno anteriores. Por ejemplo, las eficiencias de absorción de grafeno son tan altas como 54,3% y 68,6% para regiones de absorción de 20 μm de largo y 50 μm de largo, cuando funciona a 1,55 μm y 2 μm, respectivamente.

Para fotodetectores fabricados que funcionan a 2 μm, los anchos de banda de 3 dB medidos son> 20 GHz (limitado por la configuración experimental), mientras que las respuestas son 30-70 mA / W para una potencia óptica de entrada de 0,28 mW con un voltaje de polarización de -0,3 V. Para los fotodetectores que funcionan a 1,55 μm, el ancho de banda de 3 dB es> 40 GHz (limitado por la configuración), mientras que la capacidad de respuesta medida es de aproximadamente 0,4 A / W para una potencia óptica de entrada de 0,16 mW con una tensión de polarización de -0,3 V.

En este trabajo, Los mecanismos en los fotodetectores de grafeno se analizan cuidadosamente, lo que sugirió que el efecto foto-termoeléctrico es el mecanismo dominante para la foto-respuesta cuando se opera a voltaje de polarización cero. Cuando el fotodetector opera con voltajes de polarización distintos de cero, el mecanismo dominante se convierte en el efecto bolométrico o fotoconductor. Este análisis integral ayuda a comprender mejor la generación de fotocorriente en las interfaces grafeno-metal.

Los científicos resumen los aspectos más destacados de su trabajo:"Hemos propuesto y demostrado fotodetectores de guía de ondas plasmónicas híbridas de silicio-grafeno de alto rendimiento más allá de 1,55 μm. En particular, Se utilizó una nueva guía de ondas plasmónica híbrida de silicio-grafeno mediante la introducción de una región de núcleo de cresta de silicio ancha y ultrafina con una tapa de metal en la parte superior. El campo modal óptico se manipula tanto en dirección vertical como horizontal. Por lo tanto, se mejora la absorción de luz en el grafeno, mientras tanto, se minimiza la pérdida por absorción de metal. Esto ayuda en gran medida a lograr una absorción de luz suficiente del grafeno dentro de una región de absorción corta ".

"Los fotodetectores de guía de ondas de silicio-grafeno que funcionan a 2 μm se demostraron con un ancho de banda de 3 dB sobre 20 GHz. La capacidad de respuesta medida es de 30-70 mA / W con un voltaje de polarización de -0,3 V para una potencia óptica de entrada de 0,28 mW. También se demostró un fotodetector a 1,55 μm con un rendimiento excelente. El presente trabajo allana el camino para lograr fotodetectores de guía de ondas de alta capacidad de respuesta y alta velocidad en silicio para bandas de longitud de onda de infrarrojo cercano / medio, ", agregaron.

"En obras futuras, Deberían realizarse más esfuerzos para introducir algunas estructuras de unión especiales para minimizar la corriente oscura y ampliar aún más la banda de longitud de onda de funcionamiento. Los fotodetectores de guía de ondas de grafeno pueden desempeñar un papel importante en la fotónica de silicio del infrarrojo medio, que jugará un papel importante en la espectroscopia resuelta en el tiempo, detección de laboratorio en chip, fotónica no lineal, así como la comunicación óptica, " ellos dijeron.