矽光子學是近紅外波段（1.31 / 1.55μm）上用於現代光通信的一項關鍵技術。當前，矽光子學研究人員已嘗試將該技術擴展到超過1.55μm（例如2μm）的波長帶，以用於光通信，非線性光子學和晶片上感測的重要應用。然而，由於存在一些製造問題以及波長帶限制，實現超過1.55μm的高性能矽基波導光電探測器仍然面臨挑戰。作為替代，二維材料（例如石墨烯）提供了有前途的解決方案，因為它具有寬的工作波長帶的能力以及避免在設計和製造中結構失配的優點。
在《光：科學與應用》上發表的一篇論文中，來自浙江大學和東南大學的科學家通過引入新型的矽-石墨烯混合等離子體激元波導，提出並演示了超過1.55μm的高性能波導光電探測器。特別地，引入了頂部具有金屬蓋的超薄寬的矽脊芯區域，以獲得獨特的模場輪廓，從而增強了石墨烯的光吸收。此外，與先前的矽-石墨烯混合波導相比，製造容易並且石墨烯-金屬接觸電阻降低。例如，當分別在1.55μm和2μm下工作時，對於20μm長和50μm長的吸收區域，石墨烯的吸收效率高達54.3％和68.6％。
對於工作在2μm的預製光電探測器，測得的3 dB帶寬> 20 GHz（受實驗設置限制），而在-0.3V偏置電壓下，對於0.28 mW輸入光功率，響應度為30-70 mA / W。對於工作在1.55μm的光電探測器，其3 dB帶寬> 40 GHz（受設置限制），而在-0.3V偏置電壓下，對於0.16 mW輸入光功率，測得的響應度約為0.4 A / W。
在這項工作中，仔細分析了石墨烯光電探測器的機理，這表明當在零偏置電壓下工作時，光熱電效應是光響應的主要機理。當光電檢測器在非零偏置電壓下工作時，主要機制將成為輻射熱效應或光電導效應。這項全面的分析有助於更好地了解石墨烯-金屬介面中的光電流生成。
科學家總結了他們工作的重點：「我們已經提出並演示了超過1.55μm的高性能矽-石墨烯混合等離子波導光電探測器。特別是，通過引入超薄寬矽，使用了新型矽-石墨烯混合等離子波導。脊芯區域頂部帶有金屬蓋，在垂直和水平方向上均控制了光學模態，從而增強了石墨烯中的光吸收，同時使金屬吸收損失最小化，這極大地幫助了石墨烯在其中的充分吸收吸收區域短。」
「以20μm的頻率在2μm的矽石墨烯波導光電探測器進行了演示，其帶寬為3 dB。在-0.3V的偏置電壓下，對於0.28 mW的輸入光功率，測得的響應度為30-70 mA / W。他們還證明了1.55μm的光電探測器具有出色的性能。目前的工作為在近紅外/中紅外波段上在矽上實現高響應性和高速波導光電探測器鋪平了道路。」
「在未來的工作中，應該做出更多的努力來引入一些特殊的結結構，以最小化暗電流並進一步擴展工作波段。石墨烯波導光電探測器可能在中紅外矽光子學中發揮重要作用，這將發揮重要作用。及時分辨光譜學，晶片實驗室傳感，非線性光子學以及光通信。」