Graphene’s exceptional properties, such as high carrier mobility, zero-band gap, and compatibility, make it an ideal material for mid-infrared (mid-IR) photodetection and on-chip integration. Lithium niobite ($LiNbO_3$) is a promising material for chip-scale photonics due to its electro-optic properties and low optical loss in the mid-IR region. In this study, I present a mid-IR graphene photodetector (PD) integrated with a $LiNbO_3$ platform and investigate its potential applications in lab-on-a-chip systems. The mid-IR graphene PD is designed and fabricated with a $LiNbO_3$ waveguide. I also designed the electro-optic modulator based on the racetrack-resonator to integrate with graphene PD. I achieved mid-IR photodetection with a responsivity of $1.6 \sim 2.5 mA/W$ in the wavelength range from $3.2 \mu m$ to $3.9 \mu m$ at a bias voltage of $1 V$, which is comparable with other on-chip mid-IR graphene PDs, and with a minimum detectable power of $\sim 100 \mu W$. I conclude that our graphene PD is based on the mechanism of bolometric effect according to the negative photocurrent generation and the absolute value of resistance change when the light is on. In addition, I confirmed that our graphene PD can measure the photocurrent with a modulation frequency of $3.9 kHz$ and $50 kHz$ in the mid-IR and visible region, respectively, by passivating the graphene with $30 nm$ of $Al_2O_3$ layer. Thus, I expect that our graphene PD integrated with an electro-optic modulator has a chance to be utilized in on-chip lock-in photodetection, and applicable to on-chip Fourier-transform mid-IR spectroscopy with a small footprint.
높은 캐리어 이동성, 제로 밴드갭 및 호환성과 같은 그래핀의 탁월한 특성은 중적외선 괌검출 및 온칩 통합에 이상적인 소재이다. 리튬나이오베이트는 전기광학 특성과 중적외선 영역에서의 낮은 광손실로 인해 칩 규모 포토닉스에 유망한 재료이다. 본 연구에서는 리튬나이오베이트 플랫폼을 접목한 중적외선 그래핀 광검출기를 제시하고 랩온어칩 시스템에서의 가능성 있는 응용을 조사한다. 중적외선 그래핀 광검출기는 리튬나이오베이트 도파관과 함께 설계 및 제작되었다. 또한 그래핀 광검출기와 도파관을 통합하기 위해 경주로 구조의 공진기를 기반으로 하는 전기광학 변조기를 설계했다. 1볼트의 바이어스 전압에서 3.2마이크로미터 $\sim 3.9$마이크로미터의 파장 범위에서 $1.6 \sim 2.5$밀리암페어 퍼 와트의 응답성으로 중적외선 광검출을 이뤄냈고, 다른 온칩 중적외선 그래핀 광검출기와 비교할 수 있는 수준이다. 그리고, 최소 감지 가능 파워은 $\sim 100$마이크로와트로 달성됐다. 우리의 그래핀 광검출기가 음의 광전류 생성한다는 사실과 빛이 켜졌을 때 생기는 저항 변화의 절대값을 통해 복사 효과 메커니즘을 기반으로 하여 작동한다고 결론 지었다. 또한, 그래핀 광검출기는 30나노미터의 산화 알루미늄 층으로 그래핀을 부동태화하여 중적외선과 가시광선 영역에서 각각 3.9킬로헤르츠와 50킬로헤르츠의 변조 주파수로 광전류를 측정할 수 있음을 확인했다. 따라서 전기광학 변조기를 접목한 그래핀 광검출기가 미래엔 온칩 잠금 광검출에 활용될 기회가 있고 작은 설치 공간을 갖는 온칩 푸리에 변환 중적외선 분광학에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
