PR6426/000-010+C0N021/916-160石墨烯/硅基异质集成光电子器件综述

石墨烯/硅基异质集成的光子器件研究在近年来取得了巨大进展，因石墨烯所具有的诸多独特的物理性质如超高载流子迁移率、超高非线性系数等，石墨烯/硅基异质集成器件展现出了诸如超大带宽、超低功耗等优异性能。  据麦姆斯咨询报道，华中科技大学唐明研究团队介绍了近年来报道的典型石墨烯/硅基异质集成器件，包括石墨烯/硅基电光调制器、石墨烯/硅基热光调制器和石墨烯/硅基光电探测器，简要阐述了其原理与性能，并对其未来的应用与发展做出了展望。相关研究内容以“石墨烯/硅基异质集成光电子器件”为题发表在《半导体光电》期刊上。   石墨烯的光电性能  在光电子领域，石墨烯具有许多独特且优异的物理性质，典型的性质包括：（1）高载流子迁移率；（2）高导热性；（3）低光吸收率；（4）高光损伤阈值，机械稳定性优异。以上石墨烯的优秀特性与其特殊的晶格与能带结构紧密相关。，相较于传统半导体，石墨烯是一种零带隙材料（导带和价带在K点处简并，如图1），因此不会受到带隙的束缚，可吸收光波长范围从紫外延伸至远红外，从理论上可实现超宽光谱的探测。这些良好的性质为石墨烯在硅基光电器件中的广泛应用奠定了坚实的理论基础。    图1 石墨烯的能带结构  石墨烯/硅基调制器  调制器是光通信和信息处理系统中重要的部件，它通过外部输入电信号，对光信号的相位、振幅等信息进行调制，实现将电信号向光信号的加载。调制器按调制原理可分为热光调制和电光调制，热光调制器利用金属热电极产生的焦耳热改变波导材料的折射率，从而改变在其中传播的光信号相位，并结合干涉结构，最终实现强度调制；电光调制器则基于材料的电光效应，通过外加电场改变材料折射率，从而实现对入射光相位、振幅等参数的调制。传统的硅基热光调制器通常调制速度较慢，而基于载流子色散效应的电光调制器虽然调制速度较快，但在相位调制过程中不可避免地会引入强度调制，从而对信号质量造成影响。基于石墨烯/硅异质集成的热光/电光调制器则有望突破传统硅基调制器的诸多性能瓶颈。下面将对石墨烯热光调制器和电光调制器原理和发展现状进行分析和介绍。  热光调制器  考虑到石墨烯所具有的超高热导率以及较低的光吸收系数，研究人员提出了将石墨烯作为加热器的材料与硅波导集成的方案。石墨烯对光的低吸收系数使其能够与硅波导紧密接触，避免了传统硅基热光调制器中的氧化层导致的热量损失，从而显著提高调谐效率。而石墨烯首次被直接应用到热光调制器领域则可追溯到2013年，来自韩国的研究人员展示了一种基于石墨烯等离子体波导的石墨烯/硅基热光调制器，如图2（a）。如图２（b）所示，Gan等在2015年报道了一种石墨烯/硅基微环异质集成结构，通过将石墨烯铺设在硅基微环谐振器上，并结合微环的谐振特性。  为了提升热光调制效率，浙江大学的Yu等将石墨烯与硅基微盘谐振器进行了异质集成，并通过对石墨烯热电极形状的设计，使其与谐振腔光场的重叠程度大幅度增加，避免了热量的损失，从而显著提升了加热效率，其具体结构如图２（c）所示。来自华中科技大学的研究人员与丹麦科技大学合作，提出了一种硅光子晶体波导与石墨烯加热器异质集成的方案，借助光子晶体波导中慢光效应，显著促进光与石墨烯相互作用，来大幅度降低加热功耗，同时实现快速的热光调制。其结构如图２（d）所示。