硅光子學(xué)被認(rèn)為是在近紅外波段1.31/1.55μm進(jìn)行現(xiàn)代光通信的關(guān)鍵技術(shù)，目前，硅光子學(xué)研究人員已經(jīng)嘗試將該技術(shù)擴(kuò)展到超過1.55μm（例如2μm）的波長帶，用于在光通信、非線性光子學(xué)和片上傳感中的重要應(yīng)用。

然而，在1.55μm以上的高性能硅基波導(dǎo)光電探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)仍然面臨著挑戰(zhàn)，這是因?yàn)榇嬖谝恍┲圃靻栴}和波長帶寬的限制。

作為另一種選擇，如石墨烯等二維材料提供了一種很有前途的解決方案，因?yàn)樗哂袑捁ぷ鞑ㄩL的能力，并且在設(shè)計(jì)和制造中避免了結(jié)構(gòu)失配的優(yōu)點(diǎn)。在《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上發(fā)表的新研究中，浙江大學(xué)和東南大學(xué)的科學(xué)家，通過引入一種新型的硅-石墨烯混合等離子體波導(dǎo)，提出并演示了超過1.55μm的高性能波導(dǎo)光電探測(cè)器。

特別地，引入了頂部帶有金屬帽的超薄寬硅脊核心區(qū)，以獲得獨(dú)特的模場(chǎng)分布，從而增強(qiáng)了石墨烯的光吸收。此外，與以往的硅-石墨烯混合波導(dǎo)相比，制作簡(jiǎn)單，石墨烯-金屬接觸電阻降低。例如，對(duì)于20μm和50μm長的吸收區(qū)，當(dāng)工作在1.5μm和2μm時(shí)，石墨烯的吸收效率分別高達(dá)54.3%和68.6%。對(duì)于工作在2μm的光電探測(cè)器，測(cè)量到的3dB帶寬>20 GHz(受實(shí)驗(yàn)裝置的限制)。

在-0.3V偏置電壓下，對(duì)于0.28 mW的輸入光功率，其響應(yīng)度為30-70 mA/W。對(duì)于工作在1.55μm的光電探測(cè)器，3dB帶寬>40 GHz(受設(shè)置的限制)，而在-0.3V偏置電壓下，對(duì)于0.16 mW的輸入光功率，測(cè)得的響應(yīng)度約為0.4A/W。研究詳細(xì)分析了石墨烯光電探測(cè)器的機(jī)理，認(rèn)為在零偏壓下工作時(shí)，光熱電效應(yīng)是光響應(yīng)的主要機(jī)理。當(dāng)光電探測(cè)器在非零偏壓下工作時(shí)，主導(dǎo)機(jī)制變成測(cè)輻射或光導(dǎo)效應(yīng)。

這種綜合分析有助于更好地理解石墨烯-金屬界面中光電流的產(chǎn)生?？茖W(xué)家們總結(jié)了他要點(diǎn)：研究已經(jīng)提出并展示了超過1.55μm的高性能硅-石墨烯混合等離子體波導(dǎo)光電探測(cè)器。特別是，通過引入一個(gè)頂部有金屬帽的超薄寬硅脊核心區(qū)，使用了一種新型硅-石墨烯混合等離子體波導(dǎo)。光學(xué)模式場(chǎng)可以在垂直和水平方向上進(jìn)行操縱，因此，石墨烯中的光吸收得到了增強(qiáng)，同時(shí)金屬吸收損失最小。

這極大地有助于在短吸收區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)石墨烯的足夠光吸收。研究展示了工作在2μm的硅-石墨烯波導(dǎo)光電探測(cè)器，3dB帶寬在20μ以上。在輸入光功率為0.2 mW的偏置電壓為-0.3V時(shí)，測(cè)得的響應(yīng)度為30-70 mA/W。在1.55μm的光電探測(cè)器也表現(xiàn)出了優(yōu)異性能。本研究為在硅上實(shí)現(xiàn)近紅外/中紅外波段的高響應(yīng)度和高速波導(dǎo)光電探測(cè)器鋪平了道路。

在未來的研究中，應(yīng)該更多地努力引入一些特殊結(jié)結(jié)構(gòu)，以最大限度地減少暗電流，并進(jìn)一步擴(kuò)大工作波長頻帶。石墨烯波導(dǎo)光電探測(cè)器可能在中紅外硅光子學(xué)中發(fā)揮重要作用，這將在時(shí)間分辨光譜、芯片上實(shí)驗(yàn)室傳感、非線性光子學(xué)以及光通信方面發(fā)揮重要作用。

博科園｜研究/來自：中國科學(xué)院/浙江大學(xué)、東南大學(xué)

參考期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0263-6

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