High-Efficiency and Polarization-Independent Waveguide-Integrated Graphene Plasmonic Photodetectors Operating at 2 μm

光探测 光电探测器 响应度 石墨烯 等离子体子 光电子学 材料科学 极化(电化学) 光子学 光学 纳米技术 物理 物理化学 化学
作者
Hongjun Cai,Changming Yang,Li Shen,Yu Yu,Xinliang Zhang
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (4): 1565-1573 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.3c01755
摘要

As the operating wavelength of silicon photonics extends from near-infrared to mid-infrared, today's photonic-integrated circuit calls for high-performance waveguide-integrated mid-infrared photodetectors. A plasmonic-enhanced graphene photodetector (GPD) offers a promising way and has brought about widespread attention. However, the reported devices always suffer from serious metallic absorption loss and polarization-sensitive photoelectric response. Here, we propose and demonstrate two types of plasmonic GPDs operating at a 2 μm band with ultralow metallic loss and polarization-independent photodetection. Through a low-loss periodic metallic nanostructure with a deep-subwavelength cycle, a high-efficiency GPD enabled by Bloch surface plasmon mode is obtained, exhibiting a responsivity of 122 mA/W and bandwidth >14 GHz (setup-limited). A polarization-independent GPD is also realized utilizing metallic dual-strips on top of the waveguides, which shows similar responsivity for transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes (84 and 76 mA/W, respectively). We believe that these GPDs hold great potential for integrated ultrafast, highly efficient, and polarization-independent photodetection and pave the way for the practical application of graphene-based optoelectronics devices in the future.

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