La photonique sur silicium est connue comme une technologie clé pour les communications optiques modernes dans la bande de longueur d'onde du proche infrarouge, c'est à dire., 1,31/1,55 µm. Actuellement, les chercheurs en photonique sur silicium ont tenté d'étendre la technologie à la bande de longueur d'onde au-delà de 1,55 m, par exemple., 2 µm, pour des applications importantes dans les communications optiques, photonique non linéaire, et la détection sur puce. Cependant, la réalisation de photodétecteurs à guide d'ondes à base de silicium hautes performances au-delà de 1,55 m reste confrontée à des défis car il existe des problèmes de fabrication ainsi que des limitations de bande de longueur d'onde. Comme alternative, matériaux bidimensionnels (par exemple, graphène) fournissent une solution prometteuse en raison de la capacité de fonctionnement sur de larges bandes de longueurs d'onde et de l'avantage d'éviter les inadéquations de structure dans la conception et la fabrication.

Dans un article publié en Lumière :science et applications , des scientifiques de l'Université du Zhejiang et de l'Université du Sud-Est en Chine ont proposé et démontré des photodétecteurs à guide d'ondes hautes performances au-delà de 1,55 m en introduisant un nouveau guide d'ondes plasmonique hybride silicium-graphène. En particulier, une région de noyau de crête de silicium large ultra-mince avec un capuchon métallique au sommet est introduite pour obtenir un profil de champ de mode unique, de sorte que l'absorption de la lumière du graphène est améliorée. Par ailleurs, la fabrication est facile et la résistance de contact graphène-métal est réduite, par rapport aux précédents guides d'ondes hybrides silicium-graphène. Par exemple, les efficacités d'absorption du graphène sont aussi élevées que 54,3 % et 68,6 % pour les régions d'absorption de 20 m de long et 50 m de long, en fonctionnement à 1,55 m et 2 m, respectivement.

Pour les photodétecteurs fabriqués fonctionnant à 2 m, les bandes passantes mesurées à 3 dB sont> 20 GHz (limité par le montage expérimental), tandis que les sensibilités sont de 30 à 70 mA/W pour une puissance optique d'entrée de 0,28 mW sous une tension de polarisation de -0,3 V. Pour les photodétecteurs fonctionnant à 1,55 µm, la bande passante de 3 dB est> 40 GHz (limité par la configuration), tandis que la réactivité mesurée est d'environ 0,4 A/W pour une puissance optique d'entrée de 0,16 mW sous une tension de polarisation de -0,3 V.

Dans ce travail, les mécanismes des photodétecteurs au graphène sont analysés avec soin, qui a suggéré que l'effet photo-thermoélectrique est le mécanisme dominant pour la photo-réponse lors du fonctionnement à une tension de polarisation nulle. Lorsque le photodétecteur fonctionne à des tensions de polarisation non nulles, le mécanisme dominant devient l'effet bolométrique ou photoconducteur. Cette analyse complète permet de mieux comprendre la génération de photocourant dans les interfaces graphène-métal.

Les scientifiques résument les temps forts de leurs travaux :« Nous avons proposé et démontré des photodétecteurs à guide d'onde plasmonique hybride silicium-graphène hautes performances au-delà de 1,55 m. En particulier, un nouveau guide d'ondes plasmonique hybride silicium-graphène a été utilisé en introduisant une région de noyau de crête de silicium ultra-mince et large surmontée d'un capuchon métallique. Le champ modal optique est manipulé dans les deux directions verticale et horizontale. Ainsi, l'absorption lumineuse dans le graphène est améliorée, pendant ce temps, la perte par absorption de métal est minimisée. Cela aide grandement à obtenir une absorption lumineuse suffisante du graphène dans une courte région d'absorption."

"Les photodétecteurs à guide d'ondes silicium-graphène fonctionnant à 2 m ont été démontrés avec une bande passante de 3 dB sur 20 GHz. La sensibilité mesurée est de 30-70 mA/W à la tension de polarisation de -0,3V pour une puissance optique d'entrée de 0,28 mW. photodétecteur à 1,55 m a également été démontré avec d'excellentes performances.Le présent travail ouvre la voie à la réalisation de photodétecteurs à guide d'ondes à haute réactivité et à grande vitesse sur silicium pour les bandes de longueur d'onde proche/moyen infrarouge, " ont-ils ajouté.

« Dans les travaux futurs, davantage d'efforts devraient être consentis pour introduire des structures de jonction spéciales afin de minimiser le courant d'obscurité et d'étendre davantage la bande de longueur d'onde de fonctionnement. Les photodétecteurs à guide d'ondes en graphène peuvent jouer un rôle important dans la photonique au silicium dans l'infrarouge moyen, qui jouera un rôle important dans la spectroscopie résolue en temps, détection de laboratoire sur puce, photonique non linéaire, ainsi que la communication optique, " ils ont dit.