p A fotônica de silício é conhecida como uma tecnologia chave para comunicações ópticas modernas na faixa de comprimento de onda do infravermelho próximo, ou seja, 1,31 / 1,55 μm. Atualmente, os pesquisadores de fotônica de silício têm tentado estender a tecnologia para a banda de comprimento de onda além de 1,55 μm, por exemplo., 2 μm, para aplicações importantes em comunicações ópticas, fotônica não linear, e detecção no chip. Contudo, a realização de fotodetectores de guia de onda baseados em silício de alto desempenho além de 1,55 μm ainda enfrenta desafios, uma vez que existem alguns problemas de fabricação, bem como limitações de banda de comprimento de onda. Como uma alternativa, materiais bidimensionais (por exemplo, grafeno) fornecem uma solução promissora devido à capacidade de operação de bandas de comprimento de onda amplas e a vantagem de evitar incompatibilidade de estrutura no projeto e na fabricação. p Em um artigo publicado em Light:Ciência e Aplicações , cientistas da Universidade de Zhejiang e da Universidade do Sudeste na China propuseram e demonstraram fotodetectores de guia de onda de alto desempenho além de 1,55 μm, introduzindo um novo guia de onda plasmônico híbrido de silício-grafeno. Em particular, uma região de núcleo de crista de silício ultrafina larga com uma tampa de metal no topo é introduzida para obter um perfil de campo de modo exclusivo, de modo que a absorção de luz do grafeno é aumentada. Além disso, a fabricação é fácil e a resistência de contato grafeno-metal é reduzida, em comparação com os guias de onda híbridos silício-grafeno anteriores. Por exemplo, as eficiências de absorção de grafeno chegam a 54,3% e 68,6% para regiões de absorção de 20 μm e 50 μm de comprimento, quando operando a 1,55 μm e 2 μm, respectivamente.

p Para fotodetectores fabricados operando a 2 μm, as larguras de banda medidas de 3 dB são> 20 GHz (limitado pela configuração experimental), enquanto as respostas são 30-70 mA / W para 0,28 mW de potência óptica de entrada sob tensão de polarização de -0,3 V. Para os fotodetectores operando a 1,55 μm, a largura de banda de 3 dB é> 40 GHz (limitado pela configuração), enquanto a responsividade medida é de cerca de 0,4 A / W para potência óptica de entrada de 0,16 mW abaixo da tensão de polarização de -0,3 V.

p Nesse trabalho, mecanismos em fotodetectores de grafeno são analisados ​​cuidadosamente, o que sugeriu que o efeito foto-termoelétrico é o mecanismo dominante para foto-resposta ao operar em tensão de polarização zero. Quando o fotodetector opera em tensões de polarização diferentes de zero, o mecanismo dominante passa a ser o efeito bolométrico ou fotocondutor. Esta análise abrangente ajuda a entender melhor a geração de fotocorrente em interfaces de metal grafeno.

p Os cientistas resumem os destaques de seu trabalho:"Propusemos e demonstramos fotodetectores de guia de onda plasmônica híbridos de silício-grafeno de alto desempenho além de 1,55 μm. Em particular, um novo guia de onda plasmônico híbrido de silício-grafeno foi usado através da introdução de uma região de núcleo de crista de silício larga ultrafina com uma tampa de metal no topo. O campo modal óptico é manipulado nas direções vertical e horizontal. Assim, a absorção de luz no grafeno é aumentada, entretanto, a perda de absorção do metal é minimizada. Isso ajuda muito a alcançar a absorção de luz suficiente do grafeno dentro de uma curta região de absorção. "

p "Os fotodetectores de guia de onda de silício-grafeno operando a 2 μm foram demonstrados com uma largura de banda de 3 dB acima de 20 GHz. A responsividade medida é de 30-70 mA / W na tensão de polarização de -0,3 V para potência óptica de entrada de 0,28 mW. fotodetector a 1,55 μm também foi demonstrado com excelente desempenho. O presente trabalho abre caminho para a obtenção de fotodetectores de guia de onda de alta responsividade e alta velocidade em silício para bandas de comprimento de onda do infravermelho próximo / médio, "acrescentaram.

p “Em trabalhos futuros, mais esforços devem ser feitos para introduzir algumas estruturas de junção especiais para minimizar a corrente escura e estender ainda mais a banda de comprimento de onda de operação. Fotodetectores de guia de onda de grafeno podem desempenhar um papel importante na fotônica de silício no infravermelho médio, que desempenhará um papel importante na espectroscopia resolvida no tempo, detecção lab-on-chip, fotônica não linear, bem como comunicação ótica, " eles disseram.