基于波导集成的石墨烯一体化光电器件

最近，西湖大学李兰研究员课题组提出了基于石墨烯异质结的调制、探测一体化集成光电子器件，该器件利用了石墨烯可调的复折射率和零带隙特性，将石墨烯异质结与微环谐振器集成、通过控制偏压，实现了光场调控和探测。

西湖大学研究员李兰为论文的通讯作者，香港理工大学博士后吴江宏（博士毕业于浙江大学-西湖大学联合培养项目）为本文的第一作者。浙江大学研究员林宏焘，中科院微电子所高级工程师唐波，西湖大学助理研究员孙春雷，国科大杭州高等研究院特聘副研究员李钧颖，西湖大学博士生菅佳玲、孙博姝、叶羽婷、邓庆颜、唐仁杰，浙江大学博士生马辉共同参与指导了该研究工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

集成光电子芯片具有小尺寸、低功耗、大带宽、高集成密度等优势，已被广泛应用于光通讯、光传感、光计算等领域。在集成光电子链路中，基于调制器实现的电光编码、及基于探测器实现的光电译码是光子、微电子芯片的链接枢纽。电光、光电转换通常由不同器件实现，即调制器和探测器，通常这两个器件的结构、功能材料不同；如果电光、光电转换可以在同一个器件中实现，光电子芯片的集成密度将得到提升、功能也会得到拓展。

目前，构建集成光学无源器件的材料主要包括硅、铌酸锂、氮化硅、III-V半导体、硫系玻璃等，在这些材料上外延功能材料通常受晶格常数、热膨胀系数等参数的制约，不易实现单片集成。近年来，二维材料已展现了其在集成光学器件的优势和应用前景：首先，二维材料以范德瓦尔斯力结合，易于实现异质集成，便于实现大规模器件的开发；其次，二维材料具有超快迁移率，比如石墨烯的迁移率可以达到2×10⁵ cm²/(V·s)，能实现大带宽；此外，二维材料还具有可调的折射率、宽频谱吸收、强光学非线性等特性。

波导集成的石墨烯一体化光电器件通常基于电容结构，包括石墨烯-绝缘介质-石墨烯、石墨烯-绝缘介质-硅波导平板电容（如图1所示）。石墨烯的化学惰性表使得在其表面沉积高质量介质薄膜存在工艺上的挑战，同时介质沉积过程也可能对石墨烯的光电性能产生影响。因此，研究团队将石墨烯/MoTe2异质结与微环谐振器集成（如图1所示），可以避免石墨烯表面的介质沉积、简化工艺步骤；控制异质结的工作电压可以有效调控石墨烯的费米能级，改变石墨烯的吸收系数，从而实现调制、探测一体化集成光电子器件。

图1 微环谐振器集成的石墨烯器件

石墨烯与MoTe2的功函数不同，在异质结界面会产生载流子的扩散和漂移，形成能带弯曲；外加偏压可以调控石墨烯中载流子浓度，改变石墨烯费米能级的位置、影响石墨烯的吸收系数和折射率。当石墨烯/MoTe2异质结与微环谐振器上集成时，石墨烯复折射率的改变会影响环形谐振腔的损耗和等效腔长；因此控制异质结的工作电压，可以有效调制谐振腔的消光比和谐振峰位，实现光场调控。如图2b，在10 V偏压下，器件的调制深度可以达到26.7 dB；不同偏压下谐振波长的漂移主要源于等离子色散效应引起的折射率实部变化。同时石墨烯异质结调制器具有~7.0 GHz的3-dB带宽、可实现高速伪随机码的传输。

此外，由于石墨烯的零带隙结构使得其具备宽频谱吸收特性，在通讯波段可以吸收光子、产生光电子，实现光场探测（如图3所示）。光谱响应呈现波长依赖性的原因是微环谐振器增强光与物质的相互作用，因此在谐振波长处光电流达到极大值；此外，反向偏压下石墨烯的吸收系数较大且外加偏压有利于载流子的收集，因此反偏下光电流更大。

图2 微环集成的石墨烯/MoTe2异质结电光调制性能表征

图3 微环集成的石墨烯/MoTe2异质结光电探测性能表征

该工作报道了微环谐振器集成的石墨烯/MoTe2异质结调制、探测一体化集成光电子器件，可用做电光调制、光电探测；该器件不仅工艺简单，提供了一种提高集成光电子芯片集成密度的方案，拓展了集成光电子芯片的可编程性及应用场景。

审核编辑：彭菁