آشكارساز نوري مادون قرمز مياني مبتني بر گرافن بهبود داده شده با نانو آنتن هاي فلزي

Mid-IR Graphene Based Photodetector Enhanced by Metallic Nano Antennas

آشكار‌‌سازهاي نوري يكي از مهم‌ترين قطعات تشكيل‌دهنده هر سيستم مخابرات نوري هستند. استفاده از گرافن در آشكارسازهاي نوري به دليل ديناميك بسيار سريع حامل‌ها و جذب مستقل از فركانس اين ماده، از جذابيت‌هاي بسياري برخوردار است. در اين مقاله يك آشكارساز نوري مادون قرمز مياني مبتني بر گرافن تك‌لايه طراحي و مدل‌سازي شده است كه در ساختار آن، نانوآنتن‌هاي فلزي براي افزايش جذب و بهبود مشخصات آشكار‌ساز قرار گرفته است. اين نانوساختارها توسط اثرات پلاسمونيك و افزايش شديد شدت ميدان الكتريكي موج در مرز مشترك فلز-گرافن، موجب افزايش جذب گرافن مي شوند. همچنين محبوس شدن امواج پلاسموني در سطح گرافن و ايجاد تشديد فابري–پرو باعث افزايش بيشتر جذب نور در گرافن مي شود. در اين مقاله نشان داده شده است كه با استفاده همزمان از نانو‌آنتن‌هاي فلزي به‌منظور تشديد پلاسموني و تداخل سازنده‌ي نور در كانال گرافني مي‌توان جذب نور را به حدود 70 درصد رساند كه باعث مي‌شود به پاسخ‌دهي بسيار بالايي در حدود mA/W30 در طول‌موج um7/6 رسيد و با تغييرات اندك در ساختار آن مي‌توان طول موج آشكار‌سازي را بين 6 و um8 جابجا كرد.

Photodetectors are one of the main buliding blocks of any optical communication system. Employing graphene in photodetectors is very promising due to the unique features of graphene such as fast dynamic of carriers and wavelength independent absorption. In this article, a mid-Infrared photodetector based on single layer graphene is designed and numerically investigated. The designed photodetector incurporates metallic nano-antennas to enhance the absorption and hence the photodetector response. In these structures, plasmonic effects are responsible for the enhanced absorption by severely increasing the electric field magnitude at the metal-graphene interface. On the other hand, confined graphene plasmons waves and Fabry-Perot (FP) resonances are proposed to enhance the absorption in graphene. In this article, it is shown that by employing metallic nano- antennas for plasmonic resonance and confining plasmonic waves simultaneously, an absorption of 70% can be obtained. This high absorption value results in a responsivity of more than 30mA/W at 6.7um. It is also shown that with a slight modification in the nanostructure design, it is possible to shift the peak absorption wavelength between 6 to 8um.