基于波導集成的石墨烯一體化光電器件

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

西湖大學研究員李蘭為論文的通訊作者，香港理工大學博士后吳江宏（博士畢業(yè)于浙江大學-西湖大學聯(lián)合培養(yǎng)項目）為本文的第一作者。浙江大學研究員林宏燾，中科院微電子所高級工程師唐波，西湖大學助理研究員孫春雷，國科大杭州高等研究院特聘副研究員李鈞穎，西湖大學博士生菅佳玲、孫博姝、葉羽婷、鄧慶顏、唐仁杰，浙江大學博士生馬輝共同參與指導了該研究工作。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，已被廣泛應用于光通訊、光傳感、光計算等領域。在集成光電子鏈路中，基于調制器實現(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、光電轉換通常由不同器件實現(xiàn)，即調制器和探測器，通常這兩個器件的結構、功能材料不同；如果電光、光電轉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，構建集成光學無源器件的材料主要包括硅、鈮酸鋰、氮化硅、III-V半導體、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)了其在集成光學器件的優(yōu)勢和應用前景：首先，二維材料以范德瓦爾斯力結合，易于實現(xiàn)異質集成，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到2×10? cm2/(V·s)，能實現(xiàn)大帶寬；此外，二維材料還具有可調的折射率、寬頻譜吸收、強光學非線性等特性。

波導集成的石墨烯一體化光電器件通?；?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電容/" target="_blank">電容結構，包括石墨烯-絕緣介質-石墨烯、石墨烯-絕緣介質-硅波導平板電容（如圖1所示）。石墨烯的化學惰性表使得在其表面沉積高質量介質薄膜存在工藝上的挑戰(zhàn)，同時介質沉積過程也可能對石墨烯的光電性能產(chǎn)生影響。因此，研究團隊將石墨烯/MoTe2異質結與微環(huán)諧振器集成（如圖1所示），可以避免石墨烯表面的介質沉積、簡化工藝步驟；控制異質結的工作電壓可以有效調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，在異質結界面會產(chǎn)生載流子的擴散和漂移，形成能帶彎曲；外加偏壓可以調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。當石墨烯/MoTe2異質結與微環(huán)諧振器上集成時，石墨烯復折射率的改變會影響環(huán)形諧振腔的損耗和等效腔長；因此控制異質結的工作電壓，可以有效調制諧振腔的消光比和諧振峰位，實現(xiàn)光場調控。如圖2b，在10 V偏壓下，器件的調制深度可以達到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引起的折射率實部變化。同時石墨烯異質結調制器具有~7.0 GHz的3-dB帶寬、可實現(xiàn)高速偽隨機碼的傳輸。

此外，由于石墨烯的零帶隙結構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）。光譜響應呈現(xiàn)波長依賴性的原因是微環(huán)諧振器增強光與物質的相互作用，因此在諧振波長處光電流達到極大值；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異質結電光調制性能表征

圖3 微環(huán)集成的石墨烯/MoTe2異質結光電探測性能表征

該工作報道了微環(huán)諧振器集成的石墨烯/MoTe2異質結調制、探測一體化集成光電子器件，可用做電光調制、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用場景。

審核編輯：彭菁