CN110137273B - 亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器 - Google Patents

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Abstract

亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，涉及光通信技术领域，其包括衬底和吸收层，吸收层包括附着在衬底上的单层的石墨烯，在石墨烯上方设有缓冲层，缓冲层上设有亚波长金属光栅结构，亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度设定为可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围内，缓冲层用于促进石墨烯对电场的吸收。本发明与传统结构相比，可以明显增强石墨烯对光的吸收，提高光电探测器的响应度。

Description

亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其指一种亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器。
背景技术
随着超高速光纤通信的发展，对于超高速和高灵敏度光电探测器的需求越来越急迫。石墨烯具备极高的载流子迁移率、非常好的低维稳定性以及电子浓度的电场可调制性，是极具潜力的光电子材料。石墨烯光电探测器具有极高的载流子迁移率，在高速光通信领域中具有巨大的发展潜力，传统石墨烯光电探测器吸收层的结构是在衬底表面设置一层吸收光的石墨烯，但是由于石墨烯的光吸收效率不高，探测器的响应度较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种具备较高响应度的亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，包括衬底和吸收层，所述吸收层包括附着在衬底上的单层的石墨烯，其特征在于：还包括设置在石墨烯上方的缓冲层，所述缓冲层上设有亚波长金属光栅结构，所述亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度设定为可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围内，所述缓冲层用于促进石墨烯对电场的吸收。
其中，所述亚波长金属光栅采用银作为材料，其相对介电常数为Drude模型：
Figure BDA0002067450430000021
式(1)中，γ和ω分别表示电子碰撞频率和入射光的角频率，i为虚数单位，ε∞和ωp分别为无限大频率介电常数和表面等离子体频率。
其中，所述石墨烯的相对介电常数为εg＝1+iσg/ωε0Δ，其中Δ为单层石墨烯的厚度，ω表示入射光的角频率，i为虚数单位，ε0是真空介电常数，σg为导电常数，σg＝σintra+σinter，其中
Figure BDA0002067450430000022
式(2)中e和uc分别表示电子单位电量和化学电势，kB和
Figure BDA0002067450430000023
分别玻尔兹曼常数和普朗克常数，T和τ分别表示温度和电荷载流子散射动量的弛豫时间，石墨烯的物理参量分别为：uc＝0.15eV,T＝300K,τ＝0.5ps，石墨烯载流子速度为40000cm2V-1s-1。
其中，所述缓冲层采用硅材料制成。
进一步地，所述光栅周期为400nm。
进一步地，所述光栅高度为240nm。
进一步地，所述狭缝宽度为100nm。
更进一步地，所述缓冲层厚度为20nm。
此外，本发明还提供一种提高石墨烯光电探测器响应度的方法，在作为吸收层的单层石墨烯上设置硅材料的缓冲层，在缓冲层上设置亚波长金属光栅结构，通过控制所述亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振，通过控制所述缓冲层的厚度促进石墨烯对电场的吸收，从而提高石墨烯光电探测器的响应度。
本发明在传统石墨烯光电探测器的石墨烯吸收层上设置缓冲层、在缓冲层上设置有亚波长金属光栅结构，并且将亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度限定在可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围之内，利用上述亚波长金属光栅结构能把光局域在石墨烯薄层，再通过缓冲层的协同作用，使得本发明与传统结构相比，可以明显增强石墨烯对光的吸收，提高光电探测器的响应度。
附图说明
图1为实施例1-4中亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器结构示意图。
图2为实施例1-4中亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器的吸收谱图。
图3为实施例1-3中亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器所对应的COMSOL软件模拟电场分布图。
图4为场提高倍数与缓冲层厚度的关系图。
图中：
1——衬底 2——石墨烯
3——缓冲层 4——亚波长金属光栅结构。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1示出了亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器改进部分的结构，需要说明的是，实施例中未提及的石墨烯光电探测器其它部分的结构可以参考已有的石墨烯光电探测器，在此仅针对改进之处进行描述和说明，对于与已有石墨烯光电探测器结构类似的部分不作赘述。具体来看，上述亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器包括衬底1和吸收层，吸收层包括附着在衬底1上的单层的石墨烯2，此外，还包括设置在石墨烯2上方的缓冲层3，缓冲层3上设有亚波长金属光栅结构4，其中，亚波长金属光栅结构4的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度设定为可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围内，而缓冲层3用于促进石墨烯对电场的吸收(图中光栅周期、狭缝宽度、光栅高度分别为p、w和h，缓冲层厚度为t，光线可从缓冲层3透过)。下面以垂直射入的P极化光为入射光来验证上述石墨烯光电探测器对光的吸收率。
实施例1：
本实施例的石墨烯光电探测器结构参见图1所示，其中，光栅周期为400nm、狭缝宽度为100nm、光栅高度为240nm，缓冲层3厚度为20nm，缓冲层3采用硅材料制成。亚波长金属光栅采用银材料制作，其相对介电常数为Drude模型：
Figure BDA0002067450430000051
式(1)中，γ和ω分别表示电子碰撞频率和入射光的角频率，i为虚数单位，ε∞和ωp分别为无限大频率介电常数和表面等离子体频率。
石墨烯2的相对介电常数为εg＝1+iσg/ωε0Δ，Δ为单层石墨烯2的厚度，ω表示入射光的角频率，i为虚数单位，ε0是真空介电常数，σg为导电常数，σg＝σintra+σinter，其中
Figure BDA0002067450430000052
式(2)中e和uc分别表示电子单位电量和化学电势，kB和
Figure BDA0002067450430000053
分别玻尔兹曼常数和普朗克常数，T和τ分别表示温度和电荷载流子散射动量的弛豫时间，石墨烯2的物理参量分别为：uc＝0.15eV,T＝300K,τ＝0.5ps，石墨烯载流子速度为40000cm2V-1s-1。
石墨烯2的对光的吸收率表达式为：Ag＝(Pup-Pdown)/Pin，其中Pup Pdown为光在石墨烯2上下层的功率，Pin为入射光功率。
上述结构的石墨烯光电探测器的光吸收谱图见图2所示，在图3中示出了其所对应的COMSOL软件模拟电场分布图(见图3中a部分)。
实施例2：
本实施例中石墨烯光电探测器的结构与实施例1一样，不同之处在于光栅高度为260nm。图2中也示出了本实施例所涉石墨烯光电探测器的光吸收谱图，另外在图3中还示出了其所对应的COMSOL软件模拟电场分布图(见图3中b部分)。
实施例3：
与实施例1和2的结构一样，不同之处为本实施例中光栅高度为280nm，图2中示出了本实施例所涉石墨烯光电探测器的光吸收谱图，在图3中示出了其所对应的COMSOL软件模拟电场分布图(见图3中c部分)。
实施例4：
本实施例所涉石墨烯光电探测器的结构与实施例1-3相同，主要区别为在本实施例中光栅高度为300nm。图2中也示出了本实施例所涉石墨烯光电探测器的光吸收谱图。
结果分析：
上述石墨烯光电探测器的吸收率与入射波长的关系如图2所示，以单模光纤使用的1350nm波长光为例，从图2可以看出，实施例1-4中石墨烯2的吸收率存在巨大差别，其中，实施例1为55.62％，实施例2约为33％，实施例3约为8％，实施例4约为4％，由此可以判定，光栅高度对于吸收率的影响是非常明显的，除此之外，光栅周期和狭缝宽度实际上对于吸收率的影响也非常大(为简化表述，在此不再对光栅周期和狭缝宽度对吸收率的影响作详细说明)，光栅周期、狭缝宽度和光栅高度三者将共同影响石墨烯2的光吸收率，而与传统单层石墨烯结构的吸收率2.3％相比，实施例1的吸收率提高了23倍。
为了更形象低描述吸收提高与光栅结构的关系，图3采用COMSOL软件模拟了图2中的ABC点电场分布情况。三点的单元电场分布分别如图3(a)(b)(c)所示。该图清楚地显示由(a)到(c)，电场的束缚能力逐渐减弱，原因在于A点处于狭缝共振位置，而C和D点远离共振位置，这也说明表面等离子体共振能够直接加强光和石墨烯2的相互作用，并能增强石墨烯2的吸收。
最后需要强调的是，除光栅周期、狭缝宽度和光栅高度将影响石墨烯2的光吸收率之外，缓冲层3的厚度对吸收的影响也极为明显。图4示出了在光栅周期为400nm、狭缝宽度为100nm、光栅高度为240nm的条件下，不同缓冲层3厚度所对应光场的提高倍数。结果显示：当缓冲层3的厚度由0逐渐增加到15nm的过程中，光场的提高倍数逐渐降低至23并趋于平缓，在缓冲层3厚度从15nm逐渐增加到20nm的过程中，光场的提高倍数基本维持不变，而当厚度达到20nm的位置时，光场提高倍数突然由23减到1。这说明缓冲层3厚度与场提高倍数不符合单一函数关系，一旦缓冲层3厚度合适，对于吸收率的提高能够获得出乎意料的效果。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (4)

1.亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，由衬底和吸收层组成，其特征在于：所述吸收层由附着在衬底上的单层的石墨烯、设置在石墨烯上方的缓冲层以及设置在缓冲层上的亚波长金属光栅结构组成，所述亚波长金属光栅结构采用银作为材料，所述亚波长金属光栅结构的光栅周期为400nm、狭缝宽度为100nm、光栅高度为240nm，以使得波长为1350nm的入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振，所述缓冲层采用硅材料制成且其厚度为20nm，所述缓冲层用于促进石墨烯对电场的吸收。
2.如权利要求1所述的亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，其特征在于，所述亚波长金属光栅结构的相对介电常数为Drude模型：
Figure FDF0000012778670000011
式(1)中，γ和ω分别表示电子碰撞频率和入射光的角频率，i为虚数单位，ε∞和ωp分别为无限大频率介电常数和表面等离子体频率。
3.如权利要求2所述的亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述石墨烯的相对介电常数为εg＝1+iσg/ωε0Δ，其中Δ为单层石墨烯的厚度，ω表示入射光的角频率，i为虚数单位，ε0是真空介电常数，σg为导电常数，σg＝σintra+σinter，其中
Figure FDF0000012778670000021
式(2)中e和uc分别表示电子单位电量和化学电势，kB和
Figure FDF0000012778670000022
分别玻尔兹曼常数和普朗克常数，T和τ分别表示温度和电荷载流子散射动量的弛豫时间，石墨烯的物理参量分别为：uc＝0.15eV,T＝300K,τ＝0.5ps，石墨烯载流子速度为40000cm2V-1s-1。
4.提高石墨烯光电探测器对1350nm波长光的响应度的方法，其特征在于：在衬底上设置单层石墨烯作为吸收层，在作为吸收层的单层石墨烯上设置20nm厚硅材料的缓冲层，在缓冲层上设置亚波长金属光栅结构，控制所述亚波长金属光栅结构的光栅周期为400nm、狭缝宽度为100nm、光栅高度为240nm，使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振，并通过所述缓冲层促进石墨烯对电场的吸收，从而提高石墨烯光电探测器对1350nm波长光的响应度。
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