基于波導(dǎo)集成的石墨烯一體化光電器件

最近，西湖大學(xué)李蘭研究員課題組提出了基于石墨烯異質(zhì)結(jié)的調(diào)制、探測一體化集成光電子器件，該器件利用了石墨烯可調(diào)的復(fù)折射率和零帶隙特性，將石墨烯異質(zhì)結(jié)與微環(huán)諧振器集成、通過控制偏壓，實現(xiàn)了光場調(diào)控和探測。

西湖大學(xué)研究員李蘭為論文的通訊作者，香港理工大學(xué)博士后吳江宏（博士畢業(yè)于浙江大學(xué)-西湖大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)項目）為本文的第一作者。浙江大學(xué)研究員林宏燾，中科院微電子所高級工程師唐波，西湖大學(xué)助理研究員孫春雷，國科大杭州高等研究院特聘副研究員李鈞穎，西湖大學(xué)博士生菅佳玲、孫博姝、葉羽婷、鄧慶顏、唐仁杰，浙江大學(xué)博士生馬輝共同參與指導(dǎo)了該研究工作。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

集成光電子芯片具有小尺寸、低功耗、大帶寬、高集成密度等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于光通訊、光傳感、光計算等領(lǐng)域。在集成光電子鏈路中，基于調(diào)制器實現(xiàn)的電光編碼、及基于探測器實現(xiàn)的光電譯碼是光子、微電子芯片的鏈接樞紐。電光、光電轉(zhuǎn)換通常由不同器件實現(xiàn)，即調(diào)制器和探測器，通常這兩個器件的結(jié)構(gòu)、功能材料不同；如果電光、光電轉(zhuǎn)換可以在同一個器件中實現(xiàn)，光電子芯片的集成密度將得到提升、功能也會得到拓展。

目前，構(gòu)建集成光學(xué)無源器件的材料主要包括硅、鈮酸鋰、氮化硅、III-V半導(dǎo)體、硫系玻璃等，在這些材料上外延功能材料通常受晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)的制約，不易實現(xiàn)單片集成。近年來，二維材料已展現(xiàn)了其在集成光學(xué)器件的優(yōu)勢和應(yīng)用前景：首先，二維材料以范德瓦爾斯力結(jié)合，易于實現(xiàn)異質(zhì)集成，便于實現(xiàn)大規(guī)模器件的開發(fā)；其次，二維材料具有超快遷移率，比如石墨烯的遷移率可以達(dá)到2×10? cm2/(V·s)，能實現(xiàn)大帶寬；此外，二維材料還具有可調(diào)的折射率、寬頻譜吸收、強(qiáng)光學(xué)非線性等特性。

波導(dǎo)集成的石墨烯一體化光電器件通?；?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容結(jié)構(gòu)，包括石墨烯-絕緣介質(zhì)-石墨烯、石墨烯-絕緣介質(zhì)-硅波導(dǎo)平板電容（如圖1所示）。石墨烯的化學(xué)惰性表使得在其表面沉積高質(zhì)量介質(zhì)薄膜存在工藝上的挑戰(zhàn)，同時介質(zhì)沉積過程也可能對石墨烯的光電性能產(chǎn)生影響。因此，研究團(tuán)隊將石墨烯/MoTe2異質(zhì)結(jié)與微環(huán)諧振器集成（如圖1所示），可以避免石墨烯表面的介質(zhì)沉積、簡化工藝步驟；控制異質(zhì)結(jié)的工作電壓可以有效調(diào)控石墨烯的費米能級，改變石墨烯的吸收系數(shù)，從而實現(xiàn)調(diào)制、探測一體化集成光電子器件。

圖1 微環(huán)諧振器集成的石墨烯器件

石墨烯與MoTe2的功函數(shù)不同，在異質(zhì)結(jié)界面會產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散和漂移，形成能帶彎曲；外加偏壓可以調(diào)控石墨烯中載流子濃度，改變石墨烯費米能級的位置、影響石墨烯的吸收系數(shù)和折射率。當(dāng)石墨烯/MoTe2異質(zhì)結(jié)與微環(huán)諧振器上集成時，石墨烯復(fù)折射率的改變會影響環(huán)形諧振腔的損耗和等效腔長；因此控制異質(zhì)結(jié)的工作電壓，可以有效調(diào)制諧振腔的消光比和諧振峰位，實現(xiàn)光場調(diào)控。如圖2b，在10 V偏壓下，器件的調(diào)制深度可以達(dá)到26.7 dB；不同偏壓下諧振波長的漂移主要源于等離子色散效應(yīng)引起的折射率實部變化。同時石墨烯異質(zhì)結(jié)調(diào)制器具有~7.0 GHz的3-dB帶寬、可實現(xiàn)高速偽隨機(jī)碼的傳輸。

此外，由于石墨烯的零帶隙結(jié)構(gòu)使得其具備寬頻譜吸收特性，在通訊波段可以吸收光子、產(chǎn)生光電子，實現(xiàn)光場探測（如圖3所示）。光譜響應(yīng)呈現(xiàn)波長依賴性的原因是微環(huán)諧振器增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，因此在諧振波長處光電流達(dá)到極大值；此外，反向偏壓下石墨烯的吸收系數(shù)較大且外加偏壓有利于載流子的收集，因此反偏下光電流更大。

圖2 微環(huán)集成的石墨烯/MoTe2異質(zhì)結(jié)電光調(diào)制性能表征

圖3 微環(huán)集成的石墨烯/MoTe2異質(zhì)結(jié)光電探測性能表征

該工作報道了微環(huán)諧振器集成的石墨烯/MoTe2異質(zhì)結(jié)調(diào)制、探測一體化集成光電子器件，可用做電光調(diào)制、光電探測；該器件不僅工藝簡單，提供了一種提高集成光電子芯片集成密度的方案，拓展了集成光電子芯片的可編程性及應(yīng)用場景。

審核編輯：彭菁