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盡管石墨烯已經(jīng)滿足了許多最初預(yù)測(cè)的光電、熱和機(jī)械性能，但在制備具有大光譜帶寬和極高頻率響應(yīng)的光電探測(cè)器仍然具有廣闊的前景。

在此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Juerg Leuthold教授和Stefan M. Koepfli教授展示了一種大于500千兆赫茲，平坦頻率響應(yīng)，基于石墨烯的光電探測(cè)器，該探測(cè)器在環(huán)境條件下工作，光譜范圍為200納米寬，中心波長(zhǎng)可適應(yīng)小于1400至大于4200納米的范圍。

本文的探測(cè)器將石墨烯與超材料完美吸收體相結(jié)合，通過(guò)單模光纖直接照明，這打破了傳統(tǒng)的在集成光子平臺(tái)上的光電探測(cè)器的小型化限制，這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光功率，同時(shí)仍然具有創(chuàng)紀(jì)錄的高帶寬和數(shù)據(jù)速率。

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)。

相關(guān)文章以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”為題發(fā)表在Science。

研究背景

石墨烯已經(jīng)滿足了許多最初預(yù)測(cè)的特性，并正在推向市場(chǎng)。然而，基于石墨烯的高性能電子和光子學(xué)仍然落后。

之前已經(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器件。特別是，已經(jīng)證明了利用石墨烯的高載流子遷移率、可調(diào)電性能和相對(duì)容易集成的基于石墨烯的PD。

盡管石墨烯從紫外線一直到遠(yuǎn)紅外線之外提供了幾乎均勻的吸收，但主要的挑戰(zhàn)在于克服其相對(duì)較低的吸收率（約為2.3%）。盡管石墨烯在光子集成電路（PIC）上已經(jīng)顯示出多種功能應(yīng)用，但PIC集成也是有代價(jià)的。

PIC集成限制了可訪問(wèn)的波長(zhǎng)范圍，無(wú)論是由于波導(dǎo)材料（硅和其他材料）的透明度限制，還是由于集成光電路元件（光柵耦合器，分路器等）的帶寬有限。作為替代方案，石墨烯可以通過(guò)自由空間的垂直入射直接照射。

這種方法可以利用石墨烯的全部功能進(jìn)行光檢測(cè)，而不會(huì)被所選光子平臺(tái)的局限性所掩蓋。然而，這需要一種結(jié)構(gòu)來(lái)有效地增強(qiáng)石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸較大，有關(guān)整體器件幾何形狀及其接觸方案的其他考慮因素更為重要。

然而，即使是自由空間耦合的石墨烯探測(cè)器也可以達(dá)到超過(guò)40 GHz的帶寬，石墨烯提供了各種各樣的物理檢測(cè)效果：與傳統(tǒng)的PD不同，石墨烯探測(cè)器具有各種不同的檢測(cè)機(jī)制。

對(duì)于高速、高效的石墨烯PD的設(shè)計(jì)，目前尚不清楚哪種直接檢測(cè)機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)最高帶寬，并且其中許多效應(yīng)可以在一個(gè)器件中同時(shí)共存，這使得專用設(shè)計(jì)變得困難。

圖文詳解

本文報(bào)告了具有>500 GHz電光帶寬的零偏置石墨烯PD。在環(huán)境條件下工作，光譜范圍超過(guò)200 nm，并且可以適應(yīng)從<1400到>4200 nm 的各種中心波長(zhǎng)。

超材料完美吸收體層堆棧提供諧振增強(qiáng)，同時(shí)充當(dāng)電觸點(diǎn)，并誘導(dǎo)pn摻雜，從而實(shí)現(xiàn)高效快速的載流子提取。光可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖直接耦合到探測(cè)器，直接自由空間耦合可實(shí)現(xiàn)光功率的分配，從而導(dǎo)致高飽和功率高于100 mW，損傷閾值超過(guò)1 W。

該檢波器經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，具有兩級(jí)脈沖幅度調(diào)制格式（PAM-132）的高速運(yùn)行速度高達(dá)2 Gbit/s。同時(shí)，層疊能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎獨(dú)立于襯底的加工，為經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與電子設(shè)備的密集單片協(xié)集成。

更加重要的是，通過(guò)調(diào)整超材料幾何形狀以在中紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，進(jìn)一步展示了該方法的多功能性，從而在缺乏此類探測(cè)器的范圍內(nèi)提供高速且具有成本效益的探測(cè)器。因此，新型傳感器為通信和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

圖1.?對(duì)交錯(cuò)石墨烯超材料PD的觀點(diǎn)

圖2.?制造器件和模擬光學(xué)和電子行為

圖3.?電信波長(zhǎng)的設(shè)備性能

圖4.?頻譜可調(diào)性和多共振架構(gòu)

綜上所示，本文演示的2至>500 GHz光電帶寬PD可與傳統(tǒng)的PIN PD技術(shù)和單行進(jìn)載波光電二極管相媲美。

垂直入射超材料石墨烯PD在單個(gè)器件中提供了石墨烯的許多預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)，從概念上講，探測(cè)器的性能正在利用超材料吸收增強(qiáng)、通過(guò)石墨烯-金屬接觸摻雜實(shí)現(xiàn)內(nèi)置場(chǎng)、通過(guò)靜電門控控制良好的操作點(diǎn)以及CVD生長(zhǎng)石墨烯的有效鈍化等優(yōu)勢(shì)。

該探測(cè)器依賴于相對(duì)簡(jiǎn)單的金屬-絕緣體-石墨烯-金屬-絕緣體層堆棧，這有可能在任何基板上進(jìn)行后處理。與大多數(shù)先前關(guān)于石墨烯探測(cè)器的工作不同，作者在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的低壓范圍內(nèi)展示了非冷卻，空氣穩(wěn)定的操作。

結(jié)果顯示，這些器件展示了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。同時(shí)，>500 GHz的高帶寬和石墨烯的波長(zhǎng)依賴性吸收使探測(cè)器能夠在1400至4200 nm及以上的窗口中以任何波長(zhǎng)運(yùn)行。

這與傳感和通信都相關(guān)。例如，在電信領(lǐng)域，持續(xù)的容量緊縮導(dǎo)致了解鎖新通信頻段的強(qiáng)烈愿望。這種新型探測(cè)器具有緊湊的占地面積和與CMOS集成的能力，因此可以滿足持續(xù)的迫切需求。

文獻(xiàn)信息

Stefan M. Koepfli*, Michael Baumann, Yesim Koyaz?, Robin Gadola, Arif Güng?r, Killian Keller, Yannik Horst, Shadi Nashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, Juerg Leuthold*, Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8017

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