硅光子學被認為是在近紅外波段1.31/1.55μm進行現代光通信的關鍵技術，目前，硅光子學研究人員已經嘗試將該技術擴展到超過1.55μm（例如2μm）的波長帶，用於在光通信、非線性光子學和片上傳感中的重要應用。然而，在1.55μm以上的高性能硅基波導光電探測器的實現仍然面臨著挑戰，這是因為存在一些製造問題和波長帶寬的限制。
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，因為它具有寬工作波長的能力，並且在設計和製造中避免了結構失配的優點。在《光：科學與應用》期刊上發表的新研究中，浙江大學和東南大學的科學家，通過引入一種新型的硅-石墨烯混合等離子體波導，提出並演示了超過1.55μm的高性能波導光電探測器。
特別地，引入了頂部帶有金屬帽的超薄寬硅脊核心區，以獲得獨特的模場分佈，從而增強了石墨烯的光吸收。此外，與以往的硅-石墨烯混合波導相比，製作簡單，石墨烯-金屬接觸電阻降低。例如，對於20μm和50μm長的吸收區，當工作在1.5μm和2μm時，石墨烯的吸收效率分別高達54.3%和68.6%。對於工作在2μm的光電探測器，測量到的3dB帶寬>20 GHz(受實驗裝置的限制)。
在-0.3V偏置電壓下，對於0.28 mW的輸入光功率，其響應度為30-70 mA/W。對於工作在1.55μm的光電探測器，3dB帶寬>40 GHz(受設置的限制)，而在-0.3V偏置電壓下，對於0.16 mW的輸入光功率，測得的響應度約為0.4A/W。研究詳細分析了石墨烯光電探測器的機理，認為在零偏壓下工作時，光熱電效應是光響應的主要機理。當光電探測器在非零偏壓下工作時，主導機制變成測輻射或光導效應。
這種綜合分析有助於更好地理解石墨烯-金屬界面中光電流的產生。科學家們總結了他要點：研究已經提出並展示了超過1.55μm的高性能硅-石墨烯混合等離子體波導光電探測器。特別是，通過引入一個頂部有金屬帽的超薄寬硅脊核心區，使用了一種新型硅-石墨烯混合等離子體波導。光學模式場可以在垂直和水平方向上進行操縱，因此，石墨烯中的光吸收得到了增強，同時金屬吸收損失最小。
這極大地有助於在短吸收區域內實現石墨烯的足夠光吸收。研究展示了工作在2μm的硅-石墨烯波導光電探測器，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，測得的響應度為30-70 mA/W。在1.55μm的光電探測器也表現出了優異性能。本研究為在硅上實現近紅外/中紅外波段的高響應度和高速波導光電探測器鋪平了道路。
在未來的研究中，應該更多地努力引入一些特殊結結構，以最大限度地減少暗電流，並進一步擴大工作波長頻帶。石墨烯波導光電探測器可能在中紅外硅光子學中發揮重要作用，這將在時間分辨光譜、芯片上實驗室傳感、非線性光子學以及光通信方面發揮重要作用。
博科園｜研究/來自：中國科學院/浙江大學、東南大學
參考期刊《光：科學與應用》
DOI: 10.1038/s41377-020-0263-6
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
閱讀更多 博科園 的文章
