طراحی و شبیه‌سازی آشکارساز نوری شاتکی گرافنی با استفاده از ساختار موجبر InGaAsP/InP در طول‌موج مخابرات نوری 1.55µm

در این رساله، ساختار جدیدی از آشکارساز نوری با اتصال شاتکی گرافنی برای تابش جانبی نور (به‌اختصار SIGS-PD ) بر روی پلتفرم موجبر InP در طول‌موج 1.55µm پیشنهاد و بررسی شده است. آشکارسازی به روش فتوولتائیک با درنظرگرفتن اتصال شاتکی بین گرافن دولایه و زیرلایۀ InP با ناخالصی از نوع p بر مبنای جذب مود مغناطیسی عرضی (TM) صورت می¬پذیرد. لایۀ گرافن طوری قرار داده شده است که حداکثر توانِ جذب شده برای مود شبه پلاسمونیک TM به دست ‌آید تا از این طریق اتصال الکتریکی و جداسازی حامل¬ها را فعال ¬کند. علاوه بر این برخی از پارامترهای مهم مثل انرژی فرمی گرافن برحسب ولتاژِ بایاسِ معکوسِ گیت و پهنای باند افزاره، به‌صورت تئوری بررسی شده است. در این ساختار، از طریق اعمال ولتاژ گیت، سطح فرمی گرافن به طور فعال تنظیم می¬شود تا به شرایط اپسیلون نزدیک به صفر (ENZ ) در 0.51eV برسد؛ به‌این‌ترتیب خواص نوری گرافن را از دی¬الکتریک به فلز تغییر می¬دهد. این امر می¬تواند مودهای پلاسمونیکی که بر همکنش قوی با مود نوری TM دارند را در لایۀ با ابعاد زیر طول‌موج گرافن محصور کند تا پاسخ‌دهی مود TM ، به 10 برابر مود TE افزایش‌یافته و به 1.24 AW-1 در نقطه مذکور برسد. طبق نتایج، در بایاس معکوس 4.5V برای طول افزاره¬ کمتر از 4µm، حداکثر پاسخ‌دهی به دست می¬آید. جریان تاریکی نیز توسط اتصال یکسو¬کننده شاتکی، تا 10-15A کاهش می¬یابد که در مقایسه با سایر ساختارها بی‌نظیر است. قابلیت تنظیم سطح انرژی فرمی گرافن با تغییر ولتاژ گیت، ویژگی¬های نوری گرافن را برای بهینه‌سازی عملکرد افزاره کنترل‌پذیر می¬کند. قابلیت آشکارسازی 9.6×1012 Jones برای ساختار SIGS-PD نشان می‌دهد که این افزاره قادر به عملکرد عالی در تشخیص سیگنال‌های نوری ضعیف در حضور نویز جریان تاریکی است. پهنای باند این افزاره در شرایط ENZ، 24.6GHz تخمین زده می¬شود که از مزایای بهره‌برداری هم‌زمان تقویتِ پلاسمونیکی و کنترل جابه‌جایی الکتریکی در پلتفرم هیبریدی گرافن-InP محسوب شده و در مقایسه با سایر ساختارها جایگاهی فوق‌العاده به خود اختصاص می‌دهد. نتایج اختصاصی رساله در ساختار فوق، قابلیت مجتمع¬سازی سیستم‌های پیچیده فوتونیک با ادغام آن در سایر ادوات فعال و غیرفعال مانند لیزرها، مدولاتورها، فیلترها و موجبرها در یک تراشه با پاسخ‌دهی و سرعت بالا، اندازه کوچک، مصرف پایین و امکان تولید انبوه، را مهیا می¬سازد.