浙大：在光通信的关键技术中，实现高性能波导光电探测器！

武汉嘉瑞

硅光子学被认为是在近红外波段1.31/1.55μm进行现代光通信的关键技术，目前，硅光子学研究人员已经尝试将该技术扩展到超过1.55μm（例如2μm）的波长带，用于在光通信、非线性光子学和片上传感中的重要应用。然而，在1.55μm以上的高性能硅基波导光电探测器的实现依旧面临着挑战，这是因为存在一些制造问题和波长带宽的限制。


作为另一种选择，如石墨烯等二维材料提供了一种很有前途的解决方案，因为它具有宽工作波长的能力，并且在设计和制造中避免了结构失配的优点。在《光：科学与应用》期刊上发表的新研究中，浙江大学和东南大学的科学家，通过引入一种新型的硅-石墨烯混合等离子体波导，提出并演示了超过1.55μm的高性能波导光电探测器。


特别地，引入了顶部带有金属帽的超薄宽硅脊核心区，以获得独特的模场分布，从而增强了石墨烯的光吸收。此外，与以往的硅-石墨烯混合波导相比，制作简单，石墨烯-金属接触电阻降低。例如，对于20μm和50μm长的吸收区，当工作在1.5μm和2μm时，石墨烯的吸收效率分别高达54.3%和68.6%。对于工作在2μm的光电探测器，测量到的3dB带宽>20 GHz(受实验装置的限制)。


在-0.3V偏置电压下，对于0.28 mW的输入光功率，其响应度为30-70 mA/W。对于工作在1.55μm的光电探测器，3dB带宽>40 GHz(受设置的限制)，而在-0.3V偏置电压下，对于0.16 mW的输入光功率，测得的响应度约为0.4A/W。研究详细分析了石墨烯光电探测器的机理，认为在零偏压下工作时，光热电效应是光响应的主要机理。当光电探测器在非零偏压下工作时，主导机制变成测辐射或光导效应。


这种综合分析有助于更好地理解石墨烯-金属界面中光电流的产生。科学家们总结了他要点：研究已经提出并展示了超过1.55μm的高性能硅-石墨烯混合等离子体波导光电探测器。特别是，通过引入一个顶部有金属帽的超薄宽硅脊核心区，使用了一种新型硅-石墨烯混合等离子体波导。光学模式场可以在垂直和水平方向上进行操纵，因此，石墨烯中的光吸收得到了增强，同时金属吸收损失最小。


这极大地有助于在短吸收区域内实现石墨烯的足够光吸收。研究展示了工作在2μm的硅-石墨烯波导光电探测器，3dB带宽在20μ以上。在输入光功率为0.2 mW的偏置电压为-0.3V时，测得的响应度为30-70 mA/W。在1.55μm的光电探测器也表现出了优异性能。本研究为在硅上实现近红外/中红外波段的高响应度和高速波导光电探测器铺平了道路。


在未来的研究中，应该更多地努力引入一些特殊结结构，以最大限度地减少暗电流，并进一步扩大工作波长频带。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，这将在时间分辨光谱、芯片上实验室传感、非线性光子学以及光通信方面发挥重要作用。
博科园｜研究/来自：中国科学院/浙江大学、东南大学
参考期刊《光：科学与应用》
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