研究背景

石墨烯已經(jīng)滿足其最初預測的光電、熱學和機械性能，并且正在推向市場。然而，基于石墨烯的高性能電子和光子學卻明顯落后，盡管預測的市場影響很大。盡管如此，已經(jīng)報道了與調(diào)制器、混頻器和光電探測器（PD）相關的令人印象深刻的光電設備演示。特別是，利用石墨烯的高載流子遷移率、可調(diào)電氣特性和相對容易集成的基于石墨烯的PD已經(jīng)得到證明。

關鍵問題

然而，石墨烯基光電探測器的發(fā)展仍存在以下問題：

1、石墨烯的吸收相對較低

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

2、在PIC上使用石墨烯集成具有較大代價

盡管在PIC上使用石墨烯已經(jīng)顯示出多種功能性應用，但PIC集成限制了可訪問的波長范圍，對極化依賴性和覆蓋區(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)有效增強石墨烯的吸收

石墨烯可以通過自由空間的垂直入射直接照射，但需要一種結(jié)構(gòu)來有效地增強石墨烯的吸收。此外，由于設備尺寸較大，關于整體設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機制對高效石墨烯PD設計至關重要

對于高速、高效的石墨烯PD設計，目前尚不清楚哪種直接檢測機制（PV、PC、BOL或PTE）可以實現(xiàn)最高帶寬，并且這些效應中的許多可以同時存在于一臺設備，使得專用設計變得困難。

新思路

有鑒于此，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院Stefan M. Koepfli（一作兼通訊）等人展示了一個基于石墨烯的》500 GHz、平坦頻率響應的光電探測器，該探測器在環(huán)境條件下跨越200納米寬的光譜帶工作，中心波長適應范圍從《1400到》4200納米。該探測器將石墨烯與超材料完美吸收器結(jié)合在一起，并通過單模光纖進行直接照明，這打破了集成光子平臺上光電探測器的傳統(tǒng)小型化。這種設計允許更高的光功率，同時仍然允許創(chuàng)紀錄的高帶寬和數(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)設計方案，實現(xiàn)了幾乎完美的吸收，并通過多種表征證明了該設計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的響應帶寬。

3、展示了超越電信波長的光吸收

通過簡單地改變偶極諧振器的長度，展示了30種不同諧振器長度的測量吸收光譜，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：

1、報告了具有＞500 GHz的石墨烯基PD，具有寬運行范圍

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

2、實現(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，同時充當電接觸，誘導pn摻雜，從而實現(xiàn)高效快速的載流子提取。直接自由空間耦合可實現(xiàn)光功率的分布，導致超過100 mW的高飽和功率和超過1 W的損壞閾值。

3、報道了迄今為止已知的最高石墨烯數(shù)據(jù)速率

該檢測器已經(jīng)過測試，可在高達132 Gbit/s的情況下使用雙級脈沖幅度進行高速操作調(diào)制格式，該技術(shù)可以允許與電子設備進行密集的單片集成，展示了該方法的多功能性，為通信和傳感應用提供了機會。

技術(shù)細節(jié)

工作原理

石墨烯PD由改進的超材料完美吸收器組成，這種架構(gòu)結(jié)合了通過超材料完美吸收器堆疊的吸收增強、石墨烯-金屬接觸處的內(nèi)置驅(qū)動場、靜電門控功能以及用于穩(wěn)定環(huán)境操作的鈍化。諧振器與適當間隔的背板相結(jié)合，使架構(gòu)能夠達到幾乎完美的吸收。該設計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 制造的設備和模擬的光學和電子行為

光照下局部放電

作者展示了器件的光學顯微鏡圖像，底部面板顯示了與電探針接觸的設備的側(cè)視圖以及與單模光纖的直接光學耦合。超材料石墨烯PD的光譜行為驗證了超材料的共振增強。在1550 nm照明下，光輸入功率從《1 mW掃描到接近100 mW，顯示了響應在五個數(shù)量級上的線性行為。通過高響應率R或高飽和功率Pin可以獲得良好的檢測。該檢測器為高達100 mW的最高輸入功率提供線性操作，從而接近報告的零偏置石墨烯PD的最大光電流。此外，該檢測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的響應帶寬。由于實驗裝置僅限于測量高達500 GHz的頻率，因此石墨烯PD的真實帶寬尚未探明。

圖3 電信波長的設備性能

超越電信波長

通過利用石墨烯的零帶隙和線性色散實現(xiàn)幾乎與光譜無關的吸收，可以輕松改變超材料以增強不同波長的吸收。通過簡單地改變偶極諧振器的長度，可以調(diào)整共振和吸收。作者展示了30種不同諧振器長度的測量吸收光譜，實驗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。較長波長共振的響應度明顯優(yōu)于電信波長的響應度，導致石墨烯的吸收更高。除了光響應的帶寬和幅度之外，噪聲等效功率（NEP）受益于設備的自供電操作，避免了石墨烯半金屬性質(zhì)的常見高暗電流。

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 在單個設備中提供了石墨烯的許多預期優(yōu)勢。作者在互補金屬氧化物半導體 （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。生長鈍化結(jié)合超材料底部絕緣體設計。通過這些設備，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。這種新的探測器具有緊湊的占地面積和與CMOS集成的能力，因此可能會滿足持續(xù)的迫切需求。