光通信■浙大：在光通信的关键技术中，实现高性能波导光电探测器！
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仍然面临着挑战 ， 这是因为存在一些制造问题和波长带宽的限制 。
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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 。
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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) 。
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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 。
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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 。
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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 。
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