肖廷輝 于洋 李志遠(yuǎn)

1)(中國科學(xué)院物理研究所光物理實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

3)(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510640)

石墨烯-硅基混合光子集成電路?

肖廷輝1)#于洋1)2)#李志遠(yuǎn)3)1)?

1)(中國科學(xué)院物理研究所光物理實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

3)(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院,廣州 510640)

(2017年6月27日收到;2017年7月31日收到修改稿)

硅基光子學(xué),石墨烯光子學(xué),集成光子學(xué)

1 引 言

自2004年首次在實(shí)驗(yàn)中通過機(jī)械剝離的方法制備成功后,石墨烯作為一種兼具高載流子遷移率、高機(jī)械強(qiáng)度以及高熱導(dǎo)率等優(yōu)越性質(zhì)的二維材料,一直受到科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1?3].基于石墨烯的研究與應(yīng)用涵蓋了物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和工程技術(shù)等方方面面.其中,作為一種優(yōu)秀的光電材料,石墨烯被認(rèn)為將極大地促進(jìn)光電子技術(shù)的發(fā)展.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電材料相比,石墨烯具有很多優(yōu)點(diǎn)[4].首先,石墨烯具有更高的載流子遷移率,其高達(dá)106cm2·V?1·s?1的載流子遷移率在高速高頻光電器件方面具有重要應(yīng)用潛力.其次,石墨烯在可見和紅外波段具有恒定的2.3%的寬帶吸收,可用于實(shí)現(xiàn)寬帶光電器件.另外,單原子層的石墨烯還具有更加敏感的光電響應(yīng),人們可通過化學(xué)摻雜、外加?xùn)艍汉凸獬檫\(yùn)的方法改變石墨烯費(fèi)米能級,從而控制石墨烯內(nèi)的載流子濃度和光學(xué)躍遷[5].石墨烯在光電方面的這些優(yōu)點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)高性能光電器件提供了新的可能.

與此同時(shí),硅基光子學(xué)在近年來已慢慢走向成熟,它被認(rèn)為是未來取代電子集成電路、實(shí)現(xiàn)下一代光子集成電路的關(guān)鍵技術(shù)[6,7].這得益于其與現(xiàn)代的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容,能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)的大規(guī)模集成,并為未來高速寬帶通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)互連提供了可實(shí)用的方案.隨著硅基光子學(xué)在近年來的不斷發(fā)展,寬帶低損耗的波導(dǎo)和一些無源器件[8?10],如分束器、耦合器等已經(jīng)日漸成熟,并已開始走向商用.但對于實(shí)現(xiàn)光子集成電路中一些不可或缺的有源器件,如片上光源、調(diào)制器、探測器等,仍然存在著許多問題和挑戰(zhàn).這主要源于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體,且其電光系數(shù)和非線性系數(shù)較小.人們?yōu)榻鉀Q這些問題,將III-V族半導(dǎo)體或鍺作為有源材料引入無源的硅器件中[11].然而這些材料高昂的價(jià)格以及與硅材料集成上的一些技術(shù)問題,阻礙了它們的商業(yè)化與大規(guī)模集成.

石墨烯的出現(xiàn)為以上問題的解決、實(shí)現(xiàn)高性能的光電器件提供了新的可能[12].隨著合成制備工藝的發(fā)展,由單層碳原子組成的石墨烯與傳統(tǒng)的III-V族半導(dǎo)體或鍺相比,具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢.其次,由于石墨烯本身所具有的二維材料特性,能夠方便地集成在現(xiàn)有的硅基器件上,且與現(xiàn)有硅基工藝相兼容.更為重要的是,石墨烯本身所具有的優(yōu)越的光電特性,可以作為有源材料大大提升現(xiàn)有器件的性能.因而,近幾年石墨烯與硅基相結(jié)合的混合光子集成器件得到了前所未有的發(fā)展,這些器件所組成的石墨烯-硅基混合光子集成電路,為突破現(xiàn)有硅基光子集成電路的瓶頸,實(shí)現(xiàn)下一代高速高數(shù)據(jù)密度的光通信和信息互聯(lián)注入了新的活力.

本文結(jié)合我們課題組最近的研究成果,綜述國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的一些重要的最新進(jìn)展,內(nèi)容涵蓋了光子集成電路中最重要的幾個(gè)組成部分,包括光源、波導(dǎo)、調(diào)制器和探測器.

2 石墨烯-硅基混合集成光源

片上集成光源是實(shí)現(xiàn)片上光通信、產(chǎn)生光通信載體的源頭.但由于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體,輻射躍遷概率極低,無法像直接帶隙半導(dǎo)體通過電注入的方式增加輻射躍遷產(chǎn)生光子,形成所需的光源,因而在硅材料中實(shí)現(xiàn)電抽運(yùn)的集成光源一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).通過引入III-V族半導(dǎo)體材料雖然能夠從某種程度上解決這一問題,但存在著價(jià)格昂貴和集成困難等問題.石墨烯本身作為一種無帶隙的材料,載流子主要通過較快的電子-電子和電子-聲子相互作用過程弛豫,而非通過較慢的輻射躍遷過程,因而,石墨烯本身作為輻射躍遷的載體形成所需光源也并非易事.近兩年,石墨烯-硅基混合集成光源開始嶄露頭角,為實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、可大規(guī)模生產(chǎn)且與CMOS工藝相兼容的片上集成光源開辟了新的道路.這些混合集成光源主要通過石墨烯內(nèi)熱載流子的熱輻射來實(shí)現(xiàn)[13?15],并通過硅基結(jié)構(gòu)對輻射波長進(jìn)行有效調(diào)控.

2015年,哥倫比亞大學(xué)的Kim等[16]通過外加電流偏置的方法,實(shí)現(xiàn)了石墨烯內(nèi)部電子和聲子溫度的去耦合,并將石墨烯內(nèi)部空間局域的熱電子加熱到2800 K,從而產(chǎn)生了從可見到近紅外波段的熱輻射,并利用硅基結(jié)構(gòu)的干涉效應(yīng),對輻射光譜進(jìn)行了調(diào)節(jié).實(shí)驗(yàn)中所采用的的器件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,當(dāng)源極和漏極之間的電壓加至2.90 V時(shí),可以觀測到人眼可分辨的可見發(fā)光,如圖1(b)所示.此外,他們充分利用了混合集成結(jié)構(gòu)的特性,通過改變懸空的石墨烯和硅襯底之間的距離,實(shí)現(xiàn)了對輻射光譜的有效調(diào)節(jié).硅基結(jié)構(gòu)對輻射光譜的調(diào)節(jié)原理示意圖如圖2(a)所示.石墨烯熱載流子產(chǎn)生的熱輻射會向自由空間和硅襯底兩個(gè)不同方向發(fā)生輻射,向硅襯底方向發(fā)生的熱輻射會受到襯底的反射而與直接從石墨烯中產(chǎn)生的熱輻射發(fā)生干涉,圖2(a)中的紅色區(qū)域所示的是由于干涉相長導(dǎo)致的輻射光強(qiáng)增強(qiáng).由于干涉效應(yīng),不同溝道深度對于熱輻射光譜具有調(diào)節(jié)作用,其模擬結(jié)果如圖2(b)和圖2(c)所示.可以看出,對于同樣的光譜范圍,隨著溝道深度的增加,兩個(gè)相鄰干涉增強(qiáng)的波長間距逐漸減小.這一調(diào)制可類比法布里-珀羅腔的縱模間距隨腔長的變化.

圖1 (a)石墨烯熱輻射光源器件的贗色掃描電子顯微鏡圖;(b)石墨烯熱輻射器件發(fā)光時(shí)的光學(xué)顯微鏡圖[16]Fig.1.(a)Fake-color scanning electron microscopy image of a graphene-based thermal emitter;(b)optical microscopy image of light emission from a graphene-based thermal emitter[16].

圖2 (a)集成硅基結(jié)構(gòu)對熱輻射光源的光譜調(diào)節(jié)示意圖;(b)熱輻射強(qiáng)度隨溝道深度和光子能量的分布;(c)不同溝道深度的熱輻射光譜[16]Fig.2.(a)Schematic of tuning the thermal emission spectrum by an integrated silicon structure;(b)thermal emission intensity as a function of the trench depth and photon energy;(c)thermal emission spectra of the thermal emitter with different trench depths[16].

2016年,麻省理工學(xué)院的Englund小組[17]利用石墨烯-硅基光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動的片上熱輻射光源.他們同樣使用外加偏置電壓的方法,通過在石墨烯內(nèi)部產(chǎn)生熱載流子的方式來產(chǎn)生熱輻射.熱輻射受到硅基光子晶體微腔的調(diào)制,在腔的共振波長處產(chǎn)生了增強(qiáng)的窄帶輻射峰,且具有很強(qiáng)的偏振依賴性.他們的工作實(shí)現(xiàn)了對片上熱輻射光源的光譜和偏振控制.通過在源漏電極間加入不同的偏置電壓,他們觀測到了熱輻射峰的移動.這些輻射峰對應(yīng)于光子晶體微腔不同模式的共振波長,說明在不同偏壓下,器件的熱輻射波長發(fā)生了移動.此外,他們還測量了不同偏振條件下的熱輻射強(qiáng)度,證明了受到硅基光子晶體微腔調(diào)制的熱輻射具有偏振依賴性.

石墨烯-硅基混合集成光源雖然為實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且可大規(guī)模生產(chǎn)的片上集成光源提供了新的思路,但仍然存在許多問題和挑戰(zhàn).利用熱輻射的光源存在電光能量轉(zhuǎn)換效率低、局域溫度高而影響集成環(huán)境等問題;與通信質(zhì)量密切相關(guān)的光束質(zhì)量和相干性等方面也需要進(jìn)一步的研究和完善.當(dāng)然,通過引入其他物理過程和機(jī)制而實(shí)現(xiàn)的光學(xué)輻射仍有待人們進(jìn)一步的研究和探索,比如利用石墨烯內(nèi)的熱電子產(chǎn)生表面等離激元的光源[18],由石墨烯的非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波[19,20],以及利用石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光等[21].值得注意的是,相比于光產(chǎn)生光的非線性過程,電產(chǎn)生光的過程更能夠從根本上解決片上光源問題.

3 石墨烯-硅基混合集成光波導(dǎo)

光波導(dǎo)作為片上光通信各器件連接和信息互聯(lián)的通道,看似簡單卻起著舉足輕重的作用.隨著近年來硅基光子學(xué)的發(fā)展與制備工藝的不斷完善,實(shí)現(xiàn)低損耗的硅基波導(dǎo)已并非難事.而將石墨烯作為有源層與硅基波導(dǎo)相集成,大大擴(kuò)展了波導(dǎo)器件的功能.一方面,石墨烯作為有源層為波導(dǎo)的主動調(diào)制提供了可能.另一方面,硅基波導(dǎo)增加了光與石墨烯的相互作用長度,從而增強(qiáng)了石墨烯的光吸收和非線性效應(yīng).

2011年,加州大學(xué)伯克利分校的Zhang研究組[22]首先提出了石墨烯-硅基混合集成光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)在寬帶光調(diào)制器上的成功應(yīng)用,立即引起了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注.2012年,明尼蘇達(dá)大學(xué)的Li研究組[23]首先對石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)的吸收損耗進(jìn)行了細(xì)致的研究.研究發(fā)現(xiàn),相比于垂直照射情況下的石墨烯僅有的2.3%的吸收,當(dāng)石墨烯集成在硅基波導(dǎo)表面形成混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí),其吸收損耗可達(dá)為0.2 dB/μm,即在50μm的相互作用長度即可達(dá)到10 dB的吸收損耗,相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了90%的光吸收.石墨烯吸收的增強(qiáng)大大增加了石墨烯的光電轉(zhuǎn)換效率.圖3(a)和圖3(b)所示分別為兩種不同光與石墨烯相互作用的示意圖.圖3(c)所示為石墨烯-硅基混合波導(dǎo)的TE基橫模的強(qiáng)度分布,從圖3(c)可以看出,石墨烯與硅基波導(dǎo)的模場主要是通過倏逝波進(jìn)行相互作用.2014年,香港中文大學(xué)的Tsang課題組[24]對石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)中的自由載流子吸收的動力學(xué)過程進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,圖4所示為抽運(yùn)探測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究表明,載流子注入引起波導(dǎo)損耗增加的上升時(shí)間與自由載流子復(fù)合使波導(dǎo)損耗恢復(fù)的下降時(shí)間都是幾個(gè)微秒,與硅材料的載流子壽命在同一量級,據(jù)此提出了石墨烯產(chǎn)生的載流子注入硅波導(dǎo)的效應(yīng).

圖3 (a)垂直入射時(shí)石墨烯光吸收示意圖;(b)與波導(dǎo)集成時(shí)石墨烯光吸收示意圖;(c)石墨烯-硅基混合波導(dǎo)的TE基橫模[23]Fig.3. (a)Schematic of graphene absorption for normal incident light;(b)schematic of waveguideintegrated graphene absorption;(c)fundamental TE mode of a graphene-silicon hybrid waveguide[23].

除了對混合波導(dǎo)中光吸收的研究外,2015年,國防科技大學(xué)的Liu等[25]對于石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)的非線性效應(yīng)進(jìn)行了研究.研究表明,當(dāng)飛秒脈沖耦合入波導(dǎo),由于石墨烯極大的克爾非線性系數(shù),將產(chǎn)生由自相位調(diào)制導(dǎo)致的明顯的頻譜展寬,如圖5(a)和圖5(b)所示.同年,浙江大學(xué)的Dai研究組[26]根據(jù)石墨烯表面等離激元對電磁場的極強(qiáng)的局域特性,提出了硅上集成的石墨烯表面等離激元納米波導(dǎo).最近,東京大學(xué)的Goda研究組[27]提出了利用狹縫硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激發(fā)石墨烯表面等離激元的設(shè)計(jì),并研究了產(chǎn)生的表面等離激元對波導(dǎo)傳輸?shù)恼{(diào)制作用.混合集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(a)所示,整個(gè)器件設(shè)計(jì)在絕緣體上硅的晶片上,器件下方的絕緣層被氫氟酸去除,使器件形成空氣橋式的結(jié)構(gòu),從而將器件的工作波長延伸至中紅外波段.石墨烯覆蓋在狹縫寬度為80 nm的狹縫波導(dǎo)上,其費(fèi)米能級可以通過金屬電極進(jìn)行調(diào)節(jié).波導(dǎo)的兩端分別與兩個(gè)亞波長光柵耦合器相連,通過它們,入射光和出射光可以分別由兩根光纖耦合入和耦合出器件.石墨烯的表面等離激元通過狹縫的散射被激發(fā).表面等離激元對波導(dǎo)的調(diào)制結(jié)果如圖6(b)所示,由于所激發(fā)的表面等離激元波長與費(fèi)米能級相關(guān),因而在不同費(fèi)米能級下,由狹縫兩側(cè)所激發(fā)的表面等離激元產(chǎn)生干涉相長或相消的結(jié)果.這影響了波導(dǎo)模式的分布,從而影響了石墨烯的吸收,使得混合波導(dǎo)的傳輸損耗隨費(fèi)米能級呈現(xiàn)出了周期性的調(diào)制.

圖4 (a)石墨烯-硅基混合波導(dǎo)中,不同功率的抽運(yùn)光對探測光的調(diào)制;(b)探測光信號的瞬態(tài)響應(yīng)過程[24]Fig.4.(a)Modulation of probe light by pump light with different powers in a graphene-silicon hybrid waveguide;(b)temporal response process of the probe light[24].

圖5 (a)飛秒激光入射時(shí),硅基波導(dǎo)的透射譜;(b)同樣的飛秒激光入射時(shí),石墨烯-硅基混合波導(dǎo)透射譜由于自相位調(diào)制發(fā)生展寬[25]Fig.5.(a)Transmission spectrum of a silicon waveguide with a femtosecond laser input;(b)broadening of the transmission spectrum of a graphene-silicon hybrid waveguide with a femtosecond laser input[25].

圖6 (a)石墨烯-硅基混合狹縫波導(dǎo)示意圖;(b)不同費(fèi)米能級所激發(fā)的石墨烯表面等離激元對波導(dǎo)模系數(shù)的調(diào)制[27]Fig.6.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid slot waveguide;(b)modulation of the waveguide mode index by excited graphene surface plasmons at different Fermi levels[27].

石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)利用石墨烯作為有源層,打破了原本硅基波導(dǎo)只能作為低損耗的被動器件實(shí)現(xiàn)器件間互連的單一功能,實(shí)現(xiàn)了主動調(diào)制的波導(dǎo)傳輸模式,并能夠利用波導(dǎo)中光與石墨烯的長距離相互作用,充分挖掘石墨烯的光電性質(zhì)及其非線性效應(yīng).對于石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)中的一些重要物理過程,如光吸收[28?30]、非線性效應(yīng)[31?33]和表面等離激元[34?36]等的深入研究,為實(shí)現(xiàn)石墨烯-硅基混合集成平臺中的各種有源器件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).雖然近年來關(guān)于石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo)的研究已經(jīng)較為全面,但作為實(shí)現(xiàn)其他有源器件的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的石墨烯與波導(dǎo)模相互作用仍然具有重要的應(yīng)用前景,基于石墨烯的優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),如狹縫波導(dǎo)、慢光光子晶體波導(dǎo)等[37],新的內(nèi)部物理機(jī)制的引入和調(diào)控,如表面等離激元的激發(fā)和石墨烯-硅波導(dǎo)異質(zhì)結(jié)內(nèi)的載流子控制等[38],都有助于未來實(shí)現(xiàn)高效、高可控性的石墨烯-硅基混合集成波導(dǎo).

4 石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器

光調(diào)制器作為光通信系統(tǒng)中對光信號處理的最基本器件,對通信質(zhì)量、速度和帶寬起著決定性的作用.現(xiàn)階段,在硅基平臺上實(shí)現(xiàn)高性能的調(diào)制器,仍然存在著一些問題.其中一個(gè)最主要的原因在于硅材料本身較小的電光系數(shù).石墨烯-硅基混合集成調(diào)制器的出現(xiàn),彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn),并帶來了許多新的優(yōu)勢.首先,石墨烯具有極大的電光系數(shù),這意味著在相同的調(diào)制電壓下,調(diào)制器的調(diào)制深度可以做得更大.其次,由于狄拉克費(fèi)米子的高頻電導(dǎo)是一個(gè)常數(shù),石墨烯具有可覆蓋通信波段到中紅外的寬帶恒定的光吸收系數(shù),可用于實(shí)現(xiàn)寬帶的調(diào)制器.另外,石墨烯極高的載流子遷移率,可以大大提高調(diào)制器的調(diào)制速度.石墨烯光生載流子的產(chǎn)生和弛豫時(shí)間在皮秒量級,理論上調(diào)制器的調(diào)制頻率可以做到幾百GHz,比實(shí)驗(yàn)上所能實(shí)現(xiàn)的最快硅基調(diào)制器快10倍以上.

2011年,加州大學(xué)伯克利分校的Zhang課題組[22]在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器,其結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示.通過主動調(diào)節(jié)單層石墨烯的費(fèi)米能級來調(diào)節(jié)石墨烯的吸收,實(shí)現(xiàn)了GHz的調(diào)制速度,以及0.1 dB/μm的強(qiáng)度調(diào)制深度.由于該調(diào)制器的石墨烯-硅基波導(dǎo)混合集成結(jié)構(gòu),充分利用了波導(dǎo)與石墨烯吸收的寬帶特性,該器件可工作在1.35—1.6μm的寬帶范圍內(nèi).圖7(b)所示為不同調(diào)制電壓下調(diào)制器的調(diào)制深度測量結(jié)果,不同的調(diào)制電壓被分成了三個(gè)不同的調(diào)制電壓區(qū)域,分別對應(yīng)了石墨烯費(fèi)米能級和入射光子能量的三種不同關(guān)系.在中間的調(diào)制電壓區(qū)域,石墨烯的費(fèi)米能級靠近狄拉克點(diǎn),石墨烯內(nèi)的電子可以通過帶間躍遷的方式吸收光子,吸收較強(qiáng),調(diào)制深度較大.而在左側(cè)的調(diào)制電壓區(qū)域,由于石墨烯費(fèi)米能級低于光子能量的一半,因而入射光的能量不足以激發(fā)電子實(shí)現(xiàn)帶間躍遷,因而吸收較弱,調(diào)制深度也較弱.對于右側(cè)的調(diào)制電壓區(qū)域,由于費(fèi)米能級過高,與入射光子能量相對應(yīng)的電子態(tài)都已經(jīng)被電子占滿,帶間躍遷被禁止,因而吸收也較弱,調(diào)制深度也較弱.該調(diào)制器通過改變石墨烯的費(fèi)米能級而控制電子在能帶的填充情況,實(shí)現(xiàn)了對石墨烯內(nèi)的光學(xué)躍遷和吸收的調(diào)制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對硅基波導(dǎo)內(nèi)光強(qiáng)的調(diào)制.

圖7 (a)石墨烯-硅基混合寬帶光調(diào)制器示意圖;(b)光調(diào)制器在不同調(diào)制電壓下的調(diào)制深度[22]Fig.7.(a)Schematic of a broadband graphene-silicon hybrid optical modulator;(b)modulation depth of the optical modulator at various drive voltages[22].

圖8 (a)電調(diào)制石墨烯-硅基混合光子晶體微腔;(b)硅基光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖;(c)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖[39]Fig.8. (a)Schematic of an electrically modulated graphene-silicon hybrid photonic crystal cavity;(b)scanning electron microscopy image of a silicon photonic crystal cavity;(c)scanning electron microscopy image of a graphene-silicon hybrid photonic crystal cavity[39].

然而基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器的尺寸通常會比較大,因?yàn)椴▽?dǎo)中的光需要經(jīng)過足夠長的傳播距離才能達(dá)到所需的調(diào)制深度.為解決這一問題,2013年,加州大學(xué)伯克利分校的Wang課題組[39]將石墨烯集成在硅基光子晶體微腔上的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)光調(diào)制.該結(jié)構(gòu)極大地增強(qiáng)了光與石墨烯的相互作用,減小了光調(diào)制器的尺寸.器件結(jié)構(gòu)示意圖和電鏡圖如圖8所示.為了能在較大地范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級,該器件使用的是離子凝膠柵極來調(diào)制石墨烯的費(fèi)米能級,但由于離子在電場的作用下響應(yīng)較慢,調(diào)制器的調(diào)制速度受到了極大的限制.2014年,萊斯大學(xué)的Xu課題組[40]提出了更高調(diào)制效率的石墨烯-硅基微環(huán)諧振腔混合集成光調(diào)制器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(a)所示.由于微環(huán)諧振腔極高的Q值,諧振腔內(nèi)的光與石墨烯的相互作用被大大增強(qiáng),電調(diào)制導(dǎo)致的石墨烯吸收率的微小變化都會被放大,因而,該調(diào)制器具有極高的調(diào)制效率.如圖9(b)所示,他們在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了40%的調(diào)制深度.2015年,丹麥技術(shù)大學(xué)的Mortensen研究組[41]對影響石墨烯-硅基微環(huán)諧振腔混合集成光調(diào)制器中調(diào)制深度的因素進(jìn)行了更為細(xì)致的研究,給出了石墨烯在微環(huán)腔上不同的包覆長度對調(diào)制深度的影響.他們在實(shí)驗(yàn)中分別研究了四分之一、二分之一和四分之三微環(huán)包覆長度的調(diào)制器的調(diào)制深度.石墨烯-硅基微環(huán)光調(diào)制器的調(diào)制深度由微環(huán)的臨界耦合條件所決定,而在他們所設(shè)計(jì)的微環(huán)調(diào)制器中,四分之一石墨烯包覆長度的微環(huán)調(diào)制器與臨界耦合條件更為接近,因而在?8.8 V的較小電壓偏置下即可實(shí)現(xiàn)12.5 dB的調(diào)制深度.而較長包覆長度的調(diào)制器的調(diào)制深度較低,二分之一石墨烯包覆長度的微環(huán)調(diào)制器在?12.5 V的較高調(diào)制電壓偏置下只能實(shí)現(xiàn)6.2 dB的調(diào)制深度.此外,較長石墨烯包覆還會帶來較大的吸收損耗,使得微環(huán)腔的Q值降低,調(diào)制器的帶寬增大.

圖9 (a)石墨烯-硅基混合微環(huán)諧振腔光調(diào)制器示意圖;(b)光調(diào)制器在不同調(diào)制電壓下的調(diào)制深度[40]Fig.9.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid microring-cavity optical modulator;(b)modulation depth of the optical modulator at various drive voltages[40].

以上的工作都是電調(diào)制光的石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器.我們課題組在2015年在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)石墨烯-硅基光子晶體微腔的全光調(diào)制[42].與電調(diào)制的調(diào)制器相比,全光調(diào)制的器件工藝更為簡單,制備成本更低.而且由于器件不需要金屬電極,降低了器件的熱損耗,使得集成器件的局域溫度環(huán)境更加穩(wěn)定.圖10(a)和圖10(b)為我們實(shí)驗(yàn)中所用的器件和全光調(diào)制測量系統(tǒng)示意圖,圖10(c)為器件的掃描電子顯微鏡圖.實(shí)驗(yàn)中使用了一束波長為1064 nm的抽運(yùn)光來調(diào)制石墨烯的費(fèi)米能級,隨著抽運(yùn)光功率的逐漸增加,自由載流子吸收產(chǎn)生的熱光效應(yīng)使得硅的折射率發(fā)生了改變,因而微腔的共振波長發(fā)生了紅移,如圖10(d)所示.此外,微腔的Q值經(jīng)歷了先下降后上升的過程,如圖10(e)所示,這是由石墨烯的飽和吸收與硅的自由載流子吸收的競爭所導(dǎo)致的.當(dāng)抽運(yùn)光功率較弱時(shí),隨著光功率的增強(qiáng),由石墨烯產(chǎn)生的光吸收降低較慢,而由自由載流子產(chǎn)生的光吸收上升較快,因而器件的光吸收上升占據(jù)了主導(dǎo)作用,微腔的Q值出現(xiàn)了降低.而隨著抽運(yùn)光功率的持續(xù)增大,石墨烯最終達(dá)到了飽和吸收態(tài),使得隨功率增加導(dǎo)致的石墨烯光吸收降低快于自由載流子吸收產(chǎn)生的光吸收上升,因而器件總的光吸收在較高的抽運(yùn)光功率范圍隨抽運(yùn)光強(qiáng)增大而降低,導(dǎo)致Q值升高.我們還通過對照實(shí)驗(yàn)證明,在沒有石墨烯的條件下,無法實(shí)現(xiàn)對微腔共振波長和Q值同樣強(qiáng)度的調(diào)制.我們的全光石墨烯-硅基混合集成微腔最終實(shí)現(xiàn)了對微腔Q值20%深度的調(diào)制.然而,現(xiàn)階段石墨烯-硅基混合集成全光調(diào)制的研究仍然處于初級階段,距離其實(shí)際應(yīng)用仍有許多問題需要解決,比如,如何優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和器件物理的使用,充分發(fā)揮全光調(diào)制所帶來的調(diào)制速度優(yōu)勢;如何降低調(diào)制光束所需功率,降低調(diào)制的能量消耗;以及如何進(jìn)一步提高全光調(diào)制的可靠性和穩(wěn)定性等.而這些問題的解決,需要未來進(jìn)一步深入器件結(jié)構(gòu)對器件物理影響的研究,尋求增強(qiáng)器件中抽運(yùn)光與石墨烯相互作用的方法,以及實(shí)現(xiàn)器件集成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性優(yōu)化等.

石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器與傳統(tǒng)的硅基光調(diào)制器相比,能夠?qū)崿F(xiàn)更快的調(diào)制速度、更寬的工作帶寬和更強(qiáng)的調(diào)制深度.這得益于石墨烯的引入所帶來的高載流子遷移率,寬帶吸收和高電光系數(shù).石墨烯-硅基混合集成光調(diào)制器為實(shí)現(xiàn)片上廉價(jià)可大規(guī)模集成的高性能光調(diào)制器提供了新的可實(shí)用的解決方案,但現(xiàn)階段仍存在著一些問題.比如,目前實(shí)驗(yàn)上所實(shí)現(xiàn)的最高速度的調(diào)制頻率與理論上所預(yù)期的500 GHz仍然相距甚遠(yuǎn)[22].一方面,這受限于石墨烯制備的質(zhì)量[3].器件制備所需的大面積石墨烯通常需要利用化學(xué)氣相沉積的方法制備,而由該方法制備的石墨烯的載流子遷移率等光電性質(zhì)與理論上所能實(shí)現(xiàn)的仍有較大差距.另一方面,對石墨烯-硅基混合集成器件結(jié)構(gòu)和光電物理過程仍然需要更加深入的理解[4,43].如何通過合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),充分利用石墨烯中的高載流子遷移率和較快的弛豫過程,減少硅材料中較低的遷移率和較慢的弛豫過程所帶來的限制,將有助于進(jìn)一步提升器件的調(diào)制速度[44].

圖10 (a)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔結(jié)構(gòu)示意圖;(b)全光調(diào)制示意圖;(c)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖;(d)不同抽運(yùn)光功率下共振波長的改變;(e)不同抽運(yùn)光功率下品質(zhì)因子的改變[42]Fig.10.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid photonic crystal microcavity;(b)schematic of alloptical modulation;(c)scanning electron microscopy image of a graphene-silicon hybrid photonic crystal microcavity;(d)shift of the resonance wavelength with different pump laser powers;(e)variation of the quality factor with different pump laser powers[42].

5 石墨烯-硅基混合集成光探測器

光探測器是光通信系統(tǒng)中對光信號進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)換的不可或缺的重要器件.在硅基平臺上實(shí)現(xiàn)高性能的光探測器仍然存在著巨大的挑戰(zhàn),這是由于硅材料在近紅外通信波段是一種很差的光電吸收材料,它在波長大于1100 nm的近紅外波段透明[6].雖然利用雙光子吸收或是引入晶格缺陷的方法能夠?qū)⑽詹ㄩL延伸至通信波段,但這大大增加了工藝的復(fù)雜程度,且制備的探測器響應(yīng)度較低.使用III-V族半導(dǎo)體材料和鍺雖然可以提高響應(yīng)度,卻仍然存在著價(jià)格昂貴和集成困難的問題.石墨烯-硅基混合集成光探測器為解決這些難題,實(shí)現(xiàn)高速高響應(yīng)的光探測器提供了新的可能,這得益于石墨烯優(yōu)秀的光電特性與硅材料低損耗的完美結(jié)合.

圖11 (a)石墨烯-硅基超快光探測器顯微鏡圖[45];(b)全光通信波段石墨烯-硅基光探測器彩色掃描電子顯微鏡圖[46];(c)中紅外石墨烯-硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器掃描電子顯微鏡圖[47]Fig.11.(a)Microscopy image of an ultrafast graphenesilicon photodetector[45];(b)colored scanning electron microscopy image of a graphene-silicon photodetector covering all optical communication bands[46];(c)scanning electron microscopy image of a mid-infrared graphene-silicon heterostructure photodetector[47].

2013年,《Nature Photonics》雜志連續(xù)刊登了3篇石墨烯-硅基混合集成光探測器.哥倫比亞大學(xué)的Englund研究組[45]利用53μm長的石墨烯-硅基混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu),如圖11(a)所示,實(shí)現(xiàn)了0.1 A/W響應(yīng)度的光探測器,該響應(yīng)度與最好的鍺材料光探測器響應(yīng)度相當(dāng).如此高的響應(yīng)度一方面來源于石墨烯本身的材料特性,另一方面在于器件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì).首先,利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光與石墨烯的相互作用距離,充分利用了石墨烯的光吸收;其次,設(shè)計(jì)了一對非對稱的電極來產(chǎn)生非對稱的電勢,減少光生載流子的復(fù)合,增加光生載流子的收集;此外,還對器件的高速響應(yīng)的性能進(jìn)行了測量,對于波長為1.55μm并受到20 GHz高速強(qiáng)度調(diào)制的光信號,其響應(yīng)度衰減僅為1 dB,該高速響應(yīng)源于石墨烯的高載流子遷移率.與此同期,維也納技術(shù)大學(xué)的Mueller研究組[46]也提出了類似的石墨烯-硅基混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光探測器,為了增加光生載流子的收集,同樣使用了非對稱的電極設(shè)計(jì),如圖11(b)所示,利用該24μm長的混合集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了0.05 A/W的器件響應(yīng)度.香港中文大學(xué)的Xu研究組[47]利用懸空的硅基波導(dǎo)和石墨烯相集成,將混合光探測器的工作光譜擴(kuò)展到了中紅外波段,如圖11(c)所示.他們在2.75μm的入射波長實(shí)現(xiàn)了0.13 A/W的響應(yīng)度.另外,與HgCdTe和III-V族半導(dǎo)體量子阱等中紅外光探測器相比,他們的中紅外探測器不需要液氮和熱電冷卻裝置,能夠在室溫工作條件下實(shí)現(xiàn)3.9×107W?1的光電流-暗電流比.

為了進(jìn)一步提高石墨烯-硅基混合集成光探測器的響應(yīng)度和工作帶寬,密歇根大學(xué)的Zhong研究組[48]于2014年提出了雙層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器,如圖12(a)所示.該器件利用熱載流子的隧穿機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了1 A/W的高響應(yīng)度,并在室溫下實(shí)現(xiàn)了從可見光到中紅外的超寬工作帶寬.2016年,劍橋大學(xué)的Ferrari研究組[49]實(shí)現(xiàn)了具有雪崩光增益的石墨烯-硅基混合集成光探測器,如圖12(b)所示.同年,東南大學(xué)的Ni研究組[50]利用界面柵極的設(shè)計(jì),在514 nm的響應(yīng)波長,實(shí)現(xiàn)了同時(shí)滿足1000 A/W高響應(yīng)度和400 ns響應(yīng)時(shí)間的石墨烯-硅基混合光探測器.通過對以上研究的分析和對比可以發(fā)現(xiàn),石墨烯-硅基混合集成光探測器的響應(yīng)度從最初的0.05 A/W發(fā)展到現(xiàn)在的1000 A/W,經(jīng)歷了對石墨烯材料性質(zhì)和器件結(jié)構(gòu)理解的逐步深入.器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也隨著性能的提升有所增加,從最初的石墨烯作為簡單的光電材料與波導(dǎo)相集成到引入隧穿效應(yīng)的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),再到引入雪崩效應(yīng)的肖特基結(jié)構(gòu).由此可見,材料性質(zhì)和器件物理的深入研究,對于有效提升器件的性能起著決定性的指導(dǎo)作用.

圖12 (a)石墨硅雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)光探測器示意圖[48];(b)石墨烯-硅基肖特基光探測器示意圖[49]Fig.12. (a)Schematic of a graphene double-layer heterostructure photodetector[48];(b)schematic of a graphene-silicon Schottky photodetector[49].

石墨烯-硅基混合集成光探測器的發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且可大規(guī)模集成的片上光探測器提供了可實(shí)用的方案.近年來,石墨烯-硅基混合光探測器一直朝著具有寬光譜、高響應(yīng)度、高響應(yīng)速度、低暗電流、小尺寸且可在室溫工作的方向發(fā)展[49,51].現(xiàn)階段,石墨烯-硅基混合集成光探測器的研究和發(fā)展已經(jīng)較為成熟,實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備以上所有優(yōu)點(diǎn)且真正可商用的石墨烯-硅基混合光探測器已成為新的研究目標(biāo).而想要真正取代現(xiàn)有通信波段的鍺材料光探測器以及中紅外的HgCdTe光探測器,仍需不斷地提升石墨烯-硅基混合光探測器的各項(xiàng)性能指標(biāo).而這有賴于石墨烯制備質(zhì)量、器件物理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步的研究和優(yōu)化.比如,通過制備高質(zhì)量的石墨烯來提高現(xiàn)有的載流子遷移率;通過加深對器件物理的理解,合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)來增加單位長度石墨烯的光吸收,以及增加光生載流子的產(chǎn)生效率和收集效率等.

6 結(jié) 論

本文簡要介紹了國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的最新進(jìn)展,主要涵蓋了光源、光波導(dǎo)、光調(diào)制器和光探測器這四個(gè)光子集成電路中最為重要的組成部分.石墨烯-硅基的混合集成為實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的可大規(guī)模集成的光子集成電路提供了新的解決方案,它主要解決了硅基光子集成電路在實(shí)現(xiàn)有源器件上的困難,而這得益于具有優(yōu)越光電特性的石墨烯和低損耗的硅基器件的完美結(jié)合.充分利用石墨烯的材料優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)更高性能的混合集成器件不僅有待于石墨烯和器件制備工藝的提升,也需要進(jìn)一步理解器件結(jié)構(gòu)和光電物理過程對器件性能的影響.

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*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CB632704)and the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11434017).

#These authors contributed equally.

?Corresponding author.E-mail:phzyli@scut.edu.cn

Graphene-silicon hybrid photonic integrated circuits?

Xiao Ting-Hui1)#Yu Yang1)2)#Li Zhi-Yuan3)1)?

1)(Laboratory of Optical Physics,Institute of Physics,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
3)(School of Physics and Optoelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

d 27 June 2017;revised manuscript

31 July 2017)

Silicon photonics is considered as a promising technology to realize high-performance photonic integrated circuits,owing to its complementary metal oxide semiconductor-compatibility which is applicable for large-scale integration at low cost.However,due to the limitation of optoelectronic properties of silicon,the challenge to the realization of highperformance active device on the silicon integrated platform still exists.The recent development of graphene-silicon hybrid photonic integrated circuit provides a practical solution to this problem,because graphene,as a superior twodimensional material,possesses many advantageous optoelectronic properties,such as high mobility,high electro-optical coefficient,and broadband absorption,which can be fully exploited to break through the material limitation of silicon.Moreover,compared with other active integrated materials such as germanium and compound semiconductors,graphene is cost-effective and can be conveniently integrated with silicon photonic device.Here,we review some important research progress of graphene-silicon hybrid photonic integrated circuits that include optical sources,optical waveguides,optical modulators,and photodetectors.The challenges and prospects of these devices are also analyzed,which are expected to be bene fi cial to the relevant research communities.

silicon photonics,graphene photonics,integrated photonics

近年來硅基光子學(xué)已經(jīng)慢慢走向成熟,它被認(rèn)為是未來取代電子集成電路,實(shí)現(xiàn)下一代更高性能的光子集成電路的關(guān)鍵技術(shù).這得益于硅基光子器件與現(xiàn)代的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝相兼容,能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)的大規(guī)模集成.然而,由于受硅材料本身的光電特性所限,在硅基平臺上實(shí)現(xiàn)高性能的有源器件仍然存在著巨大挑戰(zhàn).石墨烯-硅基混合光子集成電路的發(fā)展為解決這一問題提供了可行的方案.這得益于石墨烯作為一種兼具高載流子遷移率、高電光系數(shù)和寬帶吸收等優(yōu)點(diǎn)的二維光電材料,能夠方便地與現(xiàn)有硅基器件相集成,并充分發(fā)揮自身的光電性能優(yōu)勢.本文結(jié)合我們課題組在該領(lǐng)域研究的一些最新成果,介紹了國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的一些重要研究進(jìn)展,涵蓋了光源、光波導(dǎo)、光調(diào)制器和光探測器四個(gè)重要組成部分.

10.7498/aps.66.217802

?國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2013CB632704)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11434017)資助的課題.

#共同第一作者.

?通信作者.E-mail:phzyli@scut.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society