基于石墨烯-硅波导的微环光电探测器

发布时间：2021-11-09 18:57

　　本文提出了一种基于石墨烯-硅波导的微环光电探测器。该器件采用全通型微环谐振器作为基本单元,通过优化基于石墨烯-硅波导微环谐振器的结构参数,以满足临界耦合状态需求,用于增强石墨烯与光的相互作用,并利用电子束光刻、等离子体刻蚀、石墨烯转移以及电子束蒸发等工艺制备基于石墨烯-硅波导的微环光电探测器。实验结果表明,当在偏置电压为-0.1 V时,探测器的最佳响应度R_p=12.5μA/W。 

【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(03)北大核心CSCD

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

(a) 基于石墨烯-硅波导微环光电探测器的结构示意图(b)光电探测器沿A-A′处的截面示意图

由公式(1)可知,当波导的高度、宽度以及环形波导的半径给定时,环形波导与直波导之间的间距Wgap直接影响着基于石墨烯-硅波导的微环谐振器是否处于临界耦合状态。由此,本文将利用时域有限差分法对其进行仿真分析。在仿真过程中,硅的折射率设置为3.470,二氧化硅的折射率设置为1.447,硅波导的宽度为450 nm,高度为220 nm,环形波导的半径为50 μm,单层石墨烯的厚度为0.34 nm,温度T为300 K,费米速度VF选取为9.5×105 m/s。石墨烯在平面方向上介电常数εg可由εg=1+iσg/(ωε0dg)计算获得[18]。其中,σg是石墨烯电导率,可通过利用kubo公式计算获得[19],ω是光的角频率,ε0为真空中的介电常数,以及dg为石墨烯的厚度。利用FDTD仿真获取TE模式下硅波导的线性传输损耗αSi=0.000 440 5/μm (0.001 913 07 dB/μm),并根据公式(1)算出环形波导内衰减因子a=0.933。所以,k2=1-a2=0.129,即k≈0.36。图2所示的是仿真所得基于石墨烯-硅波导微环谐振器的输出谱线与k2关系。从图中不难看出,k2=0.129时最接近临界耦合,与上面计算得到的k值较为吻合。由此确定耦合系数k取值为k=0.36。环形波导与直波导之间的间距Wgap与耦合系数k值的对应关系如图3所示。由图3可知,当Wgap取值为140 nm时,对应的耦合系数k值可达0.364 6,由此确定环形波导与直波导之间的间距Wgap为140 nm。图3 环形波导与直波导之间的间距Wgap与

环形波导与直波导之间的间距Wgap与


本文编号：3485893