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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
石墨烯已经满足其最初预测的光电、热学和机械性能，并且正在推向市场。然而，基于石墨烯的高性能电子和光子学却明显落后，尽管预测的市场影响很大。尽管如此，已经报道了与调制器、混频器和光电探测器（PD）相关的令人印象深刻的光电设备演示。特别是，利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电气特性和相对容易集成的基于石墨烯的PD已经得到证明。
然而，石墨烯基光电探测器的发展仍存在以下问题：
1、石墨烯的吸收相对较低
虽然石墨烯提供了从紫外到远红外的几乎均匀的吸收，但其最大挑战在于克服相对较低的吸收（约2.3 %）。因此，大多数速度快、性能高的探测器旨在在硅或氮化硅等光子集成电路（PIC）平台上得到演示。
2、在PIC上使用石墨烯集成具有较大代价
尽管在PIC上使用石墨烯已经显示出多种功能性应用，但PIC集成限制了可访问的波长范围，对极化依赖性和覆盖区施加了限制，且将最大可提取光电流限制在微安范围内的水平。
3、亟需一种结构有效增强石墨烯的吸收
石墨烯可以通过自由空间的垂直入射直接照射，但需要一种结构来有效地增强石墨烯的吸收。此外，由于设备尺寸较大，关于整体设备几何形状及其接触方案的额外考虑更为重要。
4、解析最高带宽的检测机制对高效石墨烯PD设计至关重要
对于高速、高效的石墨烯PD设计，目前尚不清楚哪种直接检测机制（PV、PC、BOL或PTE）可以实现最高带宽，并且这些效应中的许多可以同时存在于一台设备，使得专用设计变得困难。
有鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院Stefan M. Koepfli（一作兼通讯）等人展示了一个基于石墨烯的>500 GHz、平坦频率响应的光电探测器，该探测器在环境条件下跨越200纳米宽的光谱带工作，中心波长适应范围从<1400到>4200纳米。该探测器将石墨烯与超材料完美吸收器结合在一起，并通过单模光纤进行直接照明，这打破了集成光子平台上光电探测器的传统小型化。这种设计允许更高的光功率，同时仍然允许创纪录的高带宽和数据速率。该结果表明，石墨烯光电探测器在速度、带宽和大光谱范围内的操作方面优于传统技术。
技术方案：
1、阐明了石墨烯PD的工作原理
作者阐明了石墨烯PD的架构设计方案，实现了几乎完美的吸收，并通过多种表征证明了该设计保证了较短的提取路径和高效快速的载流子提取。
2、展示了光照下局部放电
作者证明了超材料石墨烯PD具有高的零偏置石墨烯PD的光电流、迄今为止石墨烯PD展示的最高数据速率、2到500 GHz的响应带宽。
3、展示了超越电信波长的光吸收
通过简单地改变偶极谐振器的长度，展示了30种不同谐振器长度的测量吸收光谱，显示出大于3000 nm 的光谱可调谐性和集成性。
技术优势：
1、报告了具有＞500 GHz的石墨烯基PD，具有宽运行范围
作者报告了具有 >500 GHz 电光带宽的零偏置石墨烯 PD，该设备在超过 200 nm的大光谱范围内的环境条件下运行，并且可以适应从<1400到>4200 nm的各种中心波长。
2、实现看高效快速的载流子提取、高饱和功率以及高损坏阈值
超材料完美吸收器层堆叠提供共振增强，同时充当电接触，诱导pn掺杂，从而实现高效快速的载流子提取。直接自由空间耦合可实现光功率的分布，导致超过100 mW的高饱和功率和超过1 W的损坏阈值。
3、报道了迄今为止已知的最高石墨烯数据速率
该检测器已经过测试，可在高达132 Gbit/s的情况下使用双级脉冲幅度进行高速操作调制格式，该技术可以允许与电子设备进行密集的单片集成，展示了该方法的多功能性，为通信和传感应用提供了机会。
技术细节
工作原理
石墨烯PD由改进的超材料完美吸收器组成，这种架构结合了通过超材料完美吸收器堆叠的吸收增强、石墨烯-金属接触处的内置驱动场、静电门控功能以及用于稳定环境操作的钝化。谐振器与适当间隔的背板相结合，使架构能够达到几乎完美的吸收。该设计保证了较短的提取路径和高效快速的载流子提取。
图 叉指石墨烯超材料PD
图 制造的设备和模拟的光学和电子行为
光照下局部放电
作者展示了器件的光学显微镜图像，底部面板显示了与电探针接触的设备的侧视图以及与单模光纤的直接光学耦合。超材料石墨烯PD的光谱行为验证了超材料的共振增强。在1550 nm照明下，光输入功率从<1 mW扫描到接近100 mW，显示了响应在五个数量级上的线性行为。通过高响应率R或高饱和功率Pin可以获得良好的检测。该检测器为高达100 mW的最高输入功率提供线性操作，从而接近报告的零偏置石墨烯PD的最大光电流。此外，该检测器还被证明具有迄今为止石墨烯PD展示的最高数据速率、2到500 GHz的响应带宽。由于实验装置仅限于测量高达500 GHz的频率，因此石墨烯PD的真实带宽尚未探明。
图 电信波长的设备性能
超越电信波长
通过利用石墨烯的零带隙和线性色散实现几乎与光谱无关的吸收，可以轻松改变超材料以增强不同波长的吸收。通过简单地改变偶极谐振器的长度，可以调整共振和吸收。作者展示了30种不同谐振器长度的测量吸收光谱，实验和模拟光谱吸收都显示出大于3000 nm 的光谱可调谐性。除了谐振器尺寸的直接可调性之外，还可以结合其他功能，例如多谐振。较长波长共振的响应度明显优于电信波长的响应度，导致石墨烯的吸收更高。除了光响应的带宽和幅度之外，噪声等效功率(NEP)受益于设备的自供电操作，避免了石墨烯半金属性质的常见高暗电流。
图 光谱可调性和多共振架构
总之，作者演示的2至>500GHz电光带宽PD可与传统PIN PD技术和单行载流子光电二极管相媲美。垂直入射超材料石墨烯P 在单个设备中提供了石墨烯的许多预期优势。作者在互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容的低电压范围内展示了非冷却、空气稳定的栅极电压操作，这是由于直接在顶部的成就。生长钝化结合超材料底部绝缘体设计。通过这些设备，展示了132 Gbit/s的数据速率，这是迄今为止已知的最高石墨烯数据速率。这种新的探测器具有紧凑的占地面积和与CMOS集成的能力，因此可能会满足持续的迫切需求。
参考文献：
STEFAN M. KOEPFLI, et al. Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz. Science, 2023, 380(6650): 1169-1174
DOI: 10.1126/science.adg8017
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8017
