La fotonica del silicio è nota come una tecnologia chiave per le moderne comunicazioni ottiche nella banda di lunghezze d'onda del vicino infrarosso, cioè., 1,31/1,55 micron. Attualmente i ricercatori di fotonica del silicio hanno tentato di estendere la tecnologia alla banda di lunghezze d'onda oltre 1,55 μm, per esempio., 2 micron, per importanti applicazioni nelle comunicazioni ottiche, fotonica non lineare, e rilevamento su chip. Però, la realizzazione di fotorivelatori a guida d'onda a base di silicio ad alte prestazioni oltre 1,55 μm deve ancora affrontare sfide poiché ci sono alcuni problemi di fabbricazione e limitazioni della banda di lunghezza d'onda. In alternativa, materiali bidimensionali (es. grafene) forniscono una soluzione promettente grazie alla capacità di operare su ampie bande di lunghezza d'onda e al vantaggio di evitare il disallineamento della struttura nella progettazione e nella fabbricazione.

In un articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , scienziati della Zhejiang University e della Southeast University in Cina hanno proposto e dimostrato fotorivelatori a guida d'onda ad alte prestazioni oltre 1,55 μm introducendo una nuova guida d'onda plasmonica ibrida silicio-grafene. In particolare, viene introdotta una regione ultrasottile del nucleo di cresta di silicio con un cappuccio metallico in cima per ottenere un profilo di campo modale unico, in modo che l'assorbimento della luce del grafene sia migliorato. Per di più, la fabbricazione è facile e la resistenza al contatto grafene-metallo è ridotta, rispetto alle precedenti guide d'onda ibride silicio-grafene. Per esempio, le efficienze di assorbimento del grafene raggiungono il 54,3% e il 68,6% per regioni di assorbimento lunghe 20 μm e lunghe 50 μm, quando si opera a 1,55 μm e 2 μm, rispettivamente.

Per fotorivelatori fabbricati che operano a 2 μm, le larghezze di banda misurate di 3 dB sono> 20 GHz (limitato dalla configurazione sperimentale), mentre le responsività sono 30-70 mA/W per una potenza ottica in ingresso di 0,28 mW con una tensione di polarizzazione di -0,3 V. Per i fotorivelatori operanti a 1,55 μm, la larghezza di banda di 3 dB è> 40 GHz (limitato dalla configurazione), mentre la risposta misurata è di circa 0,4 A/W per una potenza ottica in ingresso di 0,16 mW con una tensione di polarizzazione di -0,3 V.

In questo lavoro, i meccanismi nei fotorivelatori di grafene vengono analizzati attentamente, che ha suggerito che l'effetto foto-termoelettrico è il meccanismo dominante per la foto-risposta quando si opera a tensione di polarizzazione zero. Quando il fotorilevatore funziona a tensioni di polarizzazione diverse da zero, il meccanismo dominante diventa l'effetto bolometrico o fotoconduttivo. Questa analisi completa aiuta a comprendere meglio la generazione di fotocorrente nelle interfacce grafene-metallo.

Gli scienziati riassumono i punti salienti del loro lavoro:"Abbiamo proposto e dimostrato fotorivelatori a guida d'onda plasmonica ibridi silicio-grafene ad alte prestazioni oltre 1,55 μm. In particolare, una nuova guida d'onda plasmonica ibrida silicio-grafene è stata utilizzata introducendo una regione centrale ultrasottile di cresta di silicio con un cappuccio metallico in cima. Il campo modale ottico viene manipolato sia in direzione verticale che orizzontale. Così, l'assorbimento della luce nel grafene è migliorato, nel frattempo la perdita di assorbimento del metallo è ridotta al minimo. Ciò aiuta notevolmente a ottenere un assorbimento della luce sufficiente del grafene in una regione di assorbimento breve".

"I fotorivelatori a guida d'onda al silicio-grafene operanti a 2 μm sono stati dimostrati con una larghezza di banda di 3 dB su 20 GHz. La risposta misurata è di 30-70 mA/W alla tensione di polarizzazione di -0,3 V per una potenza ottica in ingresso di 0,28 mW. anche il fotorilevatore a 1,55 μm è stato dimostrato con prestazioni eccellenti.Il presente lavoro apre la strada al raggiungimento di fotorilevatori a guida d'onda ad alta reattività e alta velocità su silicio per bande di lunghezza d'onda nel vicino/medio infrarosso, " hanno aggiunto.

"Nei lavori futuri, dovrebbero essere fatti maggiori sforzi per introdurre alcune strutture di giunzione speciali per ridurre al minimo la corrente di buio ed estendere ulteriormente la banda di lunghezza d'onda di funzionamento. I fotorivelatori a guida d'onda al grafene possono svolgere un ruolo importante nella fotonica del silicio nel medio infrarosso, che giocherà un ruolo importante nella spettroscopia risolta nel tempo, rilevamento lab-on-chip, fotonica non lineare, così come la comunicazione ottica, " loro hanno detto.