研究背景

石墨烯已經(jīng)滿(mǎn)足其最初預(yù)測(cè)的光電、熱學(xué)和機(jī)械性能，并且正在推向市場(chǎng)。然而，基于石墨烯的高性能電子和光子學(xué)卻明顯落后，盡管預(yù)測(cè)的市場(chǎng)影響很大。盡管如此，已經(jīng)報(bào)道了與調(diào)制器、混頻器和光電探測(cè)器（PD）相關(guān)的令人印象深刻的光電設(shè)備演示。特別是，利用石墨烯的高載流子遷移率、可調(diào)電氣特性和相對(duì)容易集成的基于石墨烯的PD已經(jīng)得到證明。

關(guān)鍵問(wèn)題

然而，石墨烯基光電探測(cè)器的發(fā)展仍存在以下問(wèn)題：

1、石墨烯的吸收相對(duì)較低

雖然石墨烯提供了從紫外到遠(yuǎn)紅外的幾乎均勻的吸收，但其最大挑戰(zhàn)在于克服相對(duì)較低的吸收（約2.3 %）。因此，大多數(shù)速度快、性能高的探測(cè)器旨在在硅或氮化硅等光子集成電路（PIC）平臺(tái)上得到演示。

2、在PIC上使用石墨烯集成具有較大代價(jià)

盡管在PIC上使用石墨烯已經(jīng)顯示出多種功能性應(yīng)用，但PIC集成限制了可訪問(wèn)的波長(zhǎng)范圍，對(duì)極化依賴(lài)性和覆蓋區(qū)施加了限制，且將最大可提取光電流限制在微安范圍內(nèi)的水平。

3、亟需一種結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)石墨烯的吸收

石墨烯可以通過(guò)自由空間的垂直入射直接照射，但需要一種結(jié)構(gòu)來(lái)有效地增強(qiáng)石墨烯的吸收。此外，由于設(shè)備尺寸較大，關(guān)于整體設(shè)備幾何形狀及其接觸方案的額外考慮更為重要。

4、解析最高帶寬的檢測(cè)機(jī)制對(duì)高效石墨烯PD設(shè)計(jì)至關(guān)重要

對(duì)于高速、高效的石墨烯PD設(shè)計(jì)，目前尚不清楚哪種直接檢測(cè)機(jī)制（PV、PC、BOL或PTE）可以實(shí)現(xiàn)最高帶寬，并且這些效應(yīng)中的許多可以同時(shí)存在于一臺(tái)設(shè)備，使得專(zhuān)用設(shè)計(jì)變得困難。

新思路

有鑒于此，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Stefan M. Koepfli（一作兼通訊）等人展示了一個(gè)基于石墨烯的》500 GHz、平坦頻率響應(yīng)的光電探測(cè)器，該探測(cè)器在環(huán)境條件下跨越200納米寬的光譜帶工作，中心波長(zhǎng)適應(yīng)范圍從《1400到》4200納米。該探測(cè)器將石墨烯與超材料完美吸收器結(jié)合在一起，并通過(guò)單模光纖進(jìn)行直接照明，這打破了集成光子平臺(tái)上光電探測(cè)器的傳統(tǒng)小型化。這種設(shè)計(jì)允許更高的光功率，同時(shí)仍然允許創(chuàng)紀(jì)錄的高帶寬和數(shù)據(jù)速率。該結(jié)果表明，石墨烯光電探測(cè)器在速度、帶寬和大光譜范圍內(nèi)的操作方面優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

技術(shù)方案：

1、闡明了石墨烯PD的工作原理

作者闡明了石墨烯PD的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了幾乎完美的吸收，并通過(guò)多種表征證明了該設(shè)計(jì)保證了較短的提取路徑和高效快速的載流子提取。

2、展示了光照下局部放電

作者證明了超材料石墨烯PD具有高的零偏置石墨烯PD的光電流、迄今為止石墨烯PD展示的最高數(shù)據(jù)速率、2到500 GHz的響應(yīng)帶寬。

3、展示了超越電信波長(zhǎng)的光吸收

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變偶極諧振器的長(zhǎng)度，展示了30種不同諧振器長(zhǎng)度的測(cè)量吸收光譜，顯示出大于3000 nm 的光譜可調(diào)諧性和集成性。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、報(bào)告了具有＞500 GHz的石墨烯基PD，具有寬運(yùn)行范圍

作者報(bào)告了具有 》500 GHz 電光帶寬的零偏置石墨烯 PD，該設(shè)備在超過(guò) 200 nm的大光譜范圍內(nèi)的環(huán)境條件下運(yùn)行，并且可以適應(yīng)從《1400到》4200 nm的各種中心波長(zhǎng)。

2、實(shí)現(xiàn)看高效快速的載流子提取、高飽和功率以及高損壞閾值

超材料完美吸收器層堆疊提供共振增強(qiáng)，同時(shí)充當(dāng)電接觸，誘導(dǎo)pn摻雜，從而實(shí)現(xiàn)高效快速的載流子提取。直接自由空間耦合可實(shí)現(xiàn)光功率的分布，導(dǎo)致超過(guò)100 mW的高飽和功率和超過(guò)1 W的損壞閾值。

3、報(bào)道了迄今為止已知的最高石墨烯數(shù)據(jù)速率

該檢測(cè)器已經(jīng)過(guò)測(cè)試，可在高達(dá)132 Gbit/s的情況下使用雙級(jí)脈沖幅度進(jìn)行高速操作調(diào)制格式，該技術(shù)可以允許與電子設(shè)備進(jìn)行密集的單片集成，展示了該方法的多功能性，為通信和傳感應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

技術(shù)細(xì)節(jié)

工作原理

石墨烯PD由改進(jìn)的超材料完美吸收器組成，這種架構(gòu)結(jié)合了通過(guò)超材料完美吸收器堆疊的吸收增強(qiáng)、石墨烯-金屬接觸處的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、靜電門(mén)控功能以及用于穩(wěn)定環(huán)境操作的鈍化。諧振器與適當(dāng)間隔的背板相結(jié)合，使架構(gòu)能夠達(dá)到幾乎完美的吸收。該設(shè)計(jì)保證了較短的提取路徑和高效快速的載流子提取。

圖1 叉指石墨烯超材料PD

圖2 制造的設(shè)備和模擬的光學(xué)和電子行為

光照下局部放電

作者展示了器件的光學(xué)顯微鏡圖像，底部面板顯示了與電探針接觸的設(shè)備的側(cè)視圖以及與單模光纖的直接光學(xué)耦合。超材料石墨烯PD的光譜行為驗(yàn)證了超材料的共振增強(qiáng)。在1550 nm照明下，光輸入功率從《1 mW掃描到接近100 mW，顯示了響應(yīng)在五個(gè)數(shù)量級(jí)上的線(xiàn)性行為。通過(guò)高響應(yīng)率R或高飽和功率Pin可以獲得良好的檢測(cè)。該檢測(cè)器為高達(dá)100 mW的最高輸入功率提供線(xiàn)性操作，從而接近報(bào)告的零偏置石墨烯PD的最大光電流。此外，該檢測(cè)器還被證明具有迄今為止石墨烯PD展示的最高數(shù)據(jù)速率、2到500 GHz的響應(yīng)帶寬。由于實(shí)驗(yàn)裝置僅限于測(cè)量高達(dá)500 GHz的頻率，因此石墨烯PD的真實(shí)帶寬尚未探明。

圖3 電信波長(zhǎng)的設(shè)備性能

超越電信波長(zhǎng)

通過(guò)利用石墨烯的零帶隙和線(xiàn)性色散實(shí)現(xiàn)幾乎與光譜無(wú)關(guān)的吸收，可以輕松改變超材料以增強(qiáng)不同波長(zhǎng)的吸收。通過(guò)簡(jiǎn)單地改變偶極諧振器的長(zhǎng)度，可以調(diào)整共振和吸收。作者展示了30種不同諧振器長(zhǎng)度的測(cè)量吸收光譜，實(shí)驗(yàn)和模擬光譜吸收都顯示出大于3000 nm 的光譜可調(diào)諧性。除了諧振器尺寸的直接可調(diào)性之外，還可以結(jié)合其他功能，例如多諧振。較長(zhǎng)波長(zhǎng)共振的響應(yīng)度明顯優(yōu)于電信波長(zhǎng)的響應(yīng)度，導(dǎo)致石墨烯的吸收更高。除了光響應(yīng)的帶寬和幅度之外，噪聲等效功率（NEP）受益于設(shè)備的自供電操作，避免了石墨烯半金屬性質(zhì)的常見(jiàn)高暗電流。

圖4 光譜可調(diào)性和多共振架構(gòu)

展望

總之，作者演示的2至》500GHz電光帶寬PD可與傳統(tǒng)PIN PD技術(shù)和單行載流子光電二極管相媲美。垂直入射超材料石墨烯P 在單個(gè)設(shè)備中提供了石墨烯的許多預(yù)期優(yōu)勢(shì)。作者在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 （CMOS） 兼容的低電壓范圍內(nèi)展示了非冷卻、空氣穩(wěn)定的柵極電壓操作，這是由于直接在頂部的成就。生長(zhǎng)鈍化結(jié)合超材料底部絕緣體設(shè)計(jì)。通過(guò)這些設(shè)備，展示了132 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，這是迄今為止已知的最高石墨烯數(shù)據(jù)速率。這種新的探測(cè)器具有緊湊的占地面積和與CMOS集成的能力，因此可能會(huì)滿(mǎn)足持續(xù)的迫切需求。