“明星”材料石墨烯，再发Science！

尽管石墨烯已经满足了许多最初预测的光电、热和机械性能，但在制备具有大光谱带宽和极高频率响应的光电探测器仍然具有广阔的前景。

在此，苏黎世联邦理工学院Juerg Leuthold教授和Stefan M. Koepfli教授展示了一种大于500千兆赫兹，平坦频率响应，基于石墨烯的光电探测器，该探测器在环境条件下工作，光谱范围为200纳米宽，中心波长可适应小于1400至大于4200纳米的范围。

本文的探测器将石墨烯与超材料完美吸收体相结合，通过单模光纤直接照明，这打破了传统的在集成光子平台上的光电探测器的小型化限制，这种设计能够实现更高的光功率，同时仍然具有创纪录的高带宽和数据速率。

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。

相关文章以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”为题发表在Science。

研究背景

石墨烯已经满足了许多最初预测的特性，并正在推向市场。然而，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍然落后。

之前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器件。特别是，已经证明了利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电性能和相对容易集成的基于石墨烯的PD。

尽管石墨烯从紫外线一直到远红外线之外提供了几乎均匀的吸收，但主要的挑战在于克服其相对较低的吸收率（约为2.3%）。尽管石墨烯在光子集成电路（PIC）上已经显示出多种功能应用，但PIC集成也是有代价的。

PIC集成限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料（硅和其他材料）的透明度限制，还是由于集成光电路元件（光栅耦合器，分路器等）的带宽有限。作为替代方案，石墨烯可以通过自由空间的垂直入射直接照射。

这种方法可以利用石墨烯的全部功能进行光检测，而不会被所选光子平台的局限性所掩盖。然而，这需要一种结构来有效地增强石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸较大，有关整体器件几何形状及其接触方案的其他考虑因素更为重要。

然而，即使是自由空间耦合的石墨烯探测器也可以达到超过40 GHz的带宽，石墨烯提供了各种各样的物理检测效果：与传统的PD不同，石墨烯探测器具有各种不同的检测机制。

对于高速、高效的石墨烯PD的设计，目前尚不清楚哪种直接检测机制可以实现最高带宽，并且其中许多效应可以在一个器件中同时共存，这使得专用设计变得困难。

图文详解

本文报告了具有>500 GHz电光带宽的零偏置石墨烯PD。在环境条件下工作，光谱范围超过200 nm，并且可以适应从<1400到>4200 nm 的各种中心波长。

超材料完美吸收体层堆栈提供谐振增强，同时充当电触点，并诱导pn掺杂，从而实现高效快速的载流子提取。光可以通过标准的单模光纤直接耦合到探测器，直接自由空间耦合可实现光功率的分配，从而导致高饱和功率高于100 mW，损伤阈值超过1 W。

该检波器经过测试表明，具有两级脉冲幅度调制格式（PAM-132）的高速运行速度高达2 Gbit/s。同时，层叠能够实现几乎独立于衬底的加工，为经济高效的技术奠定了基础，该技术可以实现与电子设备的密集单片协集成。

更加重要的是，通过调整超材料几何形状以在中红外波长范围内工作，进一步展示了该方法的多功能性，从而在缺乏此类探测器的范围内提供高速且具有成本效益的探测器。因此，新型传感器为通信和传感领域的应用提供了机会。

图1. 对交错石墨烯超材料PD的观点

图2. 制造器件和模拟光学和电子行为

图3. 电信波长的设备性能

图4. 频谱可调性和多共振架构

综上所示，本文演示的2至>500 GHz光电带宽PD可与传统的PIN PD技术和单行进载波光电二极管相媲美。

垂直入射超材料石墨烯PD在单个器件中提供了石墨烯的许多预测优势，从概念上讲，探测器的性能正在利用超材料吸收增强、通过石墨烯-金属接触掺杂实现内置场、通过静电门控控制良好的操作点以及CVD生长石墨烯的有效钝化等优势。

该探测器依赖于相对简单的金属-绝缘体-石墨烯-金属-绝缘体层堆栈，这有可能在任何基板上进行后处理。与大多数先前关于石墨烯探测器的工作不同，作者在互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低压范围内展示了非冷却，空气稳定的操作。

结果显示，这些器件展示了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。同时，>500 GHz的高带宽和石墨烯的波长依赖性吸收使探测器能够在1400至4200 nm及以上的窗口中以任何波长运行。

这与传感和通信都相关。例如，在电信领域，持续的容量紧缩导致了解锁新通信频段的强烈愿望。这种新型探测器具有紧凑的占地面积和与CMOS集成的能力，因此可以满足持续的迫切需求。

文献信息

Stefan M. Koepfli*, Michael Baumann, Yesim Koyaz†, Robin Gadola, Arif Güngör, 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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