Table of Contents
تکامل گیرنده های نوری: شناسایی عکس گرافن به عنوان یک تکنولوژی غیرفعال
تقاضای بی وقفه برای سرعت انتقال داده های بالاتر و مصرف انرژی پایین در سیستم های ارتباطی نوری باعث شده است تا تحقیقات در مورد مواد جدید برای شناسایی عکس ها انجام شود.محافظه کاران کنوانسیون بر اساس نیمه هادی های III-V یا آلمانییوم به فلات های عملکردی رسیده اند، به ویژه از نظر پهنای باند، طیف طیف و انعطاف پذیری عکس، یک ماده دو بعدی متشکل از یک لایه نیمه هادی کربن واحد، فرآیندهای استثنایی برای انتقال فرکانسی نوری بالا و گیرنده های حسی بالا را به وجود آورده است.
آشنایی با ویژگی های منحصر به فرد گرافن
ساختار گروه گرافن دارای باند صفر در نقطه Dirac است که جذب فوتون ها از UV به فرکانس های ترشرتز را امکان می دهد. ضریب جذب تقریبا 2.3% در هر لایه برای نور قابل مشاهده است، در مقایسه با نیمه هادی های سنتی، اما توانایی لایه های پشته یا ادغام با ساختارهای پینسمونیک و موجاگید می تواند جبران کند.
معیارهای عملکرد کلیدی: مسئولیت پذیری، پهنای باند و نویز
برای هر گونه شناسایی عکس مورد استفاده در گیرنده نوری، سه معیار بر طراحی سیستم تسلط: مسئولیت پذیری (A/W)، پهنای باند ()، و قدرت معادل صدا (NEP) تشخیص عکس مبتنی بر گرافن (GBPD) پهنای باند ذاتی بیش از 100 گیگاهرتز، از بسیاری از آشکارسازهای معمولی، با این حال، reponsivity در گرافن سریع مهندسی شده است (برای تعداد کمی از قابلیت های ترکیبی) و تعداد کمتری از قابلیت های کاهش بهره وری (برای تعداد کمی از این تعداد کمی از قابلیت های ترکیبی برای استفاده از فایل های ساده سازی شده است.
| Parameter | Typical Graphene Detector | Conventional (InGaAs/Ge) |
|---|---|---|
| Responsivity (A/W) | 0.001 – 1 (without gain) | 0.5 – 1.0 |
| Bandwidth (3dB) | 50 – 200 GHz | 10 – 60 GHz |
| Dark Current | Low (μA scale) | Low to moderate |
| Spectral Range | UV to THz | Typically 900-1700 nm |
| Temperature Range | Broad (cryogenic to 400K) | Limited by material |
معماری های شناسایی عکس مبتنی بر گرافن برای گیرنده های نوری
چندین معماری دستگاه نشان داده شده است، هر کدام با معاملات خاص مناسب برای برنامه های مختلف گیرنده است. رایج ترین طرح ها شامل آشکارسازهای عکسرسانی، عکس العمل با زمینه های داخلی (به عنوان مثال، فلز-گرافی-ن- فلزی، گرافن- p-n اتصالات)، و پیکربندی پیشرفته تر پیکربندی گرافن ترکیب گرافن با آنتن، متامین، یا میکرو و یا واکنش به طیف های نوری.
عکس های متال-گیفن- فلزی (MGM)
در MGM Photo Identifieors، یک کانال گرافن دو تماس فلزی را متصل می کند. سد Schottky در رابط فلزی-graphene یک میدان الکتریکی داخلی ایجاد می کند که جفت های الکترون-hole را جدا می کند، ضخامت های نامتقارن حتی در سوگیری صفر، ارائه جریان تاریک و بالا در سوگیری پایین این آشکارسازها، با این حال، ضخامت نور را افزایش می دهد و هنوز هم می تواند با استفاده از یک اتصال نور فیبر نوری با استفاده از یک سیم کشی ساده، و طول جذب نور، و طول تابش کند.
شناسایی عکس های هیبریدی گرافن-Silicon Hybrid Photoors
ترکیب گرافن با یک عکس معمولی سیلیکون از اکوسیستم فوتون سیلیکون استفاده می کند در حالی که مزایای حامل های با سرعت بالا گرافن را اضافه می کند.در یک رابط گرافن-silicon Schottky Photodiode، گرافن هر دو به عنوان یک رسانا شفاف و یک لایه عکس فعال عمل می کند. پتانسیل ساخته شده در رابط کاربری کارآمد گرافن، رابط کوانتومی را جدا می کند، اگر چه زمان های مهندسی دقیق و انعطاف پذیر در کمتر از 20٪ از این دستگاه های مهندسی نور و واکنش های ضروری است.
دانلود بازی Plasmonical Enhanced Graphene
برای پرداختن به جذب کم، محققان ساختارهای نانو فلزی (به عنوان مثال، نانویان، فلوئنها) را بر روی گرافن متمرکز کرده اند تا نور حادثه را به حجم موج های فرعی متمرکز کنند، به طور چشمگیری افزایش میدان محلی و در نتیجه افزایش جذب تراشه به ویژه تقویت واکنش های موثر توسط 10-100 × در حالی که حفظ پهنای باند بالا، زیرا افزایش گرافت نوری در درجه اول نشان داده شده است، به جذب نمونه های سنگین طلا یا تراشه های منحنی است.
دانلود بازی The Performance Lakenecks and Current Research
علی رغم پیشرفت سریع آزمایشگاهی، چندین چالش باید قبل از اینکه GBPD ها بتوانند جایگزین فن آوری های موجود در گیرنده های نوری تجاری شوند، حل شود، مسئله اصلی همچنان تجارت بین جذب و پهنای باند باقی مانده است: برای افزایش جذب، به طور معمول باید منطقه دستگاه را افزایش دهد یا از لایه های متعدد استفاده کند، که باعث افزایش خازن و کاهش پهنای باند مانند بهره برداری از قابلیت منحصر به فرد گرافن برای میزبانی از تکنیک های ساخت و ساز دقیق می شود، اما می تواند این تکنیک های دقیق را کاهش دهد.
- جذب نور کم (≤2.3٪ در هر تک لایه) محدودیت اساسی باقی می ماند؛ گرافن جذب جذب جذب می کند، اما توزیع بین لایه ای را که تحرک حامل را کاهش می دهد، معرفی می کند.
- سنتز مقیاس بالا از گرافن با کیفیت بالا، یکنواخت از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) هنوز با موضوعاتی مانند مرزهای دانه، چروک و آلودگی مواجه است که عملکرد دستگاه را کاهش می دهد.
- Integration با سیستم عامل های دی الکتریک (به عنوان مثال، نیتید سیلیکون، سیلیکون-on-insulator) نیاز به روش های انتقال بهینه و تخصیص برای حفظ خواص ذاتی گرافن دارد.
- مدیریت حرارتی در گیرنده های نوری با قدرت بالا حساس می شود، زیرا هدایت حرارتی گرافن بالا است، اما ظرفیت گرمایی کوچک آن در هر اتم می تواند باعث گرمای سریع محلی تحت نور شدید موج مداوم شود.
مطالعات اخیر راه حل های امیدوار کننده ای را نشان داده اند. [برای مثال] یک مقاله 2018 در Nature یک عکس گرافن را با یک موج نیتید سیلیکون ترکیب کرد که به 0.5 A / W reponsivity و 50 گیگاهرتز دیگر از پهنای باند [FIE4] نشان داد: [FEE] در یک موضوع محدود به یک ساختار محدود است.
آینده چشم انداز برای شناسایی عکس گرافن در گیرنده های نوری
به نظر می رسد نقش GBPD در گیرنده های نوری آینده مطمئن است، اما مسیر تجاری سازی نیاز به حل چالش های یکپارچه سازی در سطح تولید و سیستم دارد.به احتمال زیاد استقرار اولیه در اتصال سریع کوتاه مدت (<1 کیلومتر) مانند کسانی که در مراکز داده استفاده می شوند، که در آن پهنای باند و انرژی در هر بیت بسیار مهم هستند، نمودار بالقوه برای گیرنده های سریع (در عین حال پشتیبانی سریع) و مزایای سریع است.
فراتر از ارتباطات فیبر نوری سنتی، آشکارسازهای گرافن درب ها را به برنامه های جدید باز می کنند: مدارهای عکسنیک یکپارچه در بستر های انعطاف پذیر، مانیتورهای بهداشتی پوشیدنی با استفاده از سنسورهای ضربان قلب نوری و حتی سیستم های تصویربرداری ترahertz برای امنیت و تست های غیر مخرب.
نقشه راه از آزمایشگاه تا فا
چندین شرکت و محقق متشیا به طور فعال در تولید گرافت مقیاس پذیر و ادغام دستگاه کار می کنند.برنامه پرچم اتحادیه اروپا مشارکت صنعتی تسریع کرده است و تظاهرات اخیر گرافن CVD با کیفیت الکترونیکی قابل مقایسه با نمونه های لایه برداری شده نشان می دهد که موانع تولید می تواند غلبه کند.
برای بررسی جامع از وضعیت هنر، بررسی اجمالی 2021 در Nature Communications یک مرور عالی از عکس های گرافن و چشم انداز آن را فراهم می کند.
نتیجه گیری
شناسایی عکس مبتنی بر گرافن نشان دهنده یک تغییر پارادایم برای طراحی گیرنده نوری است، فراتر از محدودیت های مادی نیمه هادی های معمولی حرکت می کنند، با مزایای ذاتی در سرعت، طیف گسترده و انعطاف پذیری یکپارچه، آنها آماده هستند تا سیستم های ارتباطی نسل بعدی را که سریعتر، کارآمد تر و سازگارتر هستند، فعال کنند، در حالی که چالش های مهندسی قابل توجه باقی می مانند بهره وری جذب و تولید، سرعت در این دستگاه های اطلاعاتی بالا را نشان می دهد که در آن ها مشاهده می کنند، و گیرنده های مهندسی نورواید.