二维干货：二维光电探测器在芯片集成中的应用（二）！

二维材料光电探测器在芯片集成中的应用正逐步揭示其巨大的潜力与优势。在上一章节中，我们探讨了其在成像、传感器和内存技术中的广泛应用，展示了二维材料在提升探测器性能和实现微型化方面的显著贡献。然而，二维材料的应用远不止于此。随着科技的发展和需求的不断变化，二维材料光电探测器正在更多高精尖领域中崭露头角。

本章节将深入探讨二维材料光电探测器在测距、光谱仪、光子集成电路（PICs）以及光信息接收器中的应用。这些技术不仅在科研领域具有重要意义，在实际应用中也将带来革命性的改变。二维材料的高灵敏度、快速响应和灵活性使其成为理想的选择，特别是在要求高精度和高效率的测距和光谱仪中。光子集成电路（PICs）和光信息接收器的集成更是展现了二维材料在未来通信和信息处理技术中的广阔前景。

通过对这些应用的深入分析，我们将揭示二维材料如何推动测距技术的突破、提升光谱仪的性能、优化光子集成电路的设计，以及革新光信息接收器的功能。了解这些前沿技术的发展，不仅可以为当前的科研提供新的思路，也能为未来的技术创新和产业升级提供有力支持。让我们继续探索二维材料光电探测器在芯片集成中的更多可能性。

测距

利用透明石墨烯光电探测器的开创性光学成像技术推动了光场成像和深度测距的进展。Lian等人制造了一种创新的摄像系统，沿着光路径集成透明探测器，捕捉强度和方向信息，以创建详细的3D场景表示。克服了传统2D成像的局限性，这种技术表明在成像中实现无限景深的可能性。图1a展示了该系统能够从焦点堆栈数据计算重建4D光场，显示了其在合成具有可变焦点的图像方面的能力，用于深入理解3D场景。在先进成像技术的主题上，2020年，Jayachandran等人的研究专注于开发一种低功耗的仿生碰撞检测器，使用单层MoS₂光电探测器，并集成了非易失性可编程存储架构。受到蝗虫中发现的巨型运动探测器（LGMD）神经元的启发，该设备有效地模仿了神经元在密集群中高效检测碰撞的能力。图1b展示了两种场景，突出了探测器对潜在碰撞的响应，利用主动和被动光源来识别迫近的刺激。这一进展不仅展示了探测器在各种碰撞场景中的多功能性，还凭借其能量消耗少和紧凑设计，突显了在机器人技术和自动驾驶车辆中的潜在应用。

图1.  利用二维材料的测距和跟踪技术。

从碰撞检测过渡到3D跟踪，在2021年，张等人也基于透明的焦点堆栈成像系统和石墨烯光电探测器实现了一种创新的3D跟踪系统。该系统结合了先进的机器学习技术，能够在3D空间中跟踪单个和多个点对象。该系统能够跟踪一个模型瓢虫在不同方向和位置上的运动，展示了其对复杂对象进行精确的3D位置和方向跟踪的能力，这对需要详细空间理解的应用至关重要（图1c）。

这些开创性的努力共同标志着测距和成像应用的范式转变，强调了这些技术在转变智能交通、智能家居和自主导航等各个领域的潜力。这些技术与人工智能和机器学习的融合预示着未来设备不仅能够看到，还能够以日益复杂的方式理解和与其环境互动。

光谱仪

随着微型化、多功能光电探测器技术的出现，光谱学领域经历了显著的演变。基于二极管的宽带光谱仪包括三个关键阶段：学习、测试和重建。它们的操作原理在图2a的帮助下得以阐明。学习阶段从深入研究二极管对已知单色光学输入的响应开始，最终创建了一个独特的光响应矩阵。这个矩阵是一个包含详尽光响应信息的存储库，编码了每个入射波长和外部电偏压下产生的光电流。随后，在测试阶段，重点转向测量二极管对未知光谱的偏压依赖光电流响应。因此，这些测量结果与学习阶段校准的响应函数巧妙地结合起来，以重建未知入射光谱。光谱仪在高效执行这一多步骤过程方面的熟练程度对于其能够准确分析光谱内容至关重要，尤其是以高度紧凑的形式呈现。

图2. 利用二维材料的微型化光谱仪。

2021年，Yuan等人首次实现了一款基于BP的突破性光谱仪，其显著的紧凑性引人注目，尺寸仅为9 × 16 µm²，并且在2至9 µm的MIR范围内表现出色。这款光谱仪采用单一适应性BP光电探测器，与依赖于广泛光电探测器阵列的传统设计有着显著不同（图2b）。它能够区分单色光谱和宽带光谱，这归功于BP之间显著的斯塔克效应和可调交互作用。这种尺寸和电调谐性的创新将光谱仪定位为MIR光谱学和成像应用的简化、成本效益解决方案，标志着该领域的重大进展。随后在2022年，尹等人揭示了一款以单一vdW结为特征的微型化光谱仪，如图2c所示。它展示了卓越的性能特征，包括大约0.36 nm的高峰波长精度，约3 nm的出色光谱分辨率，以及从405 nm到845 nm的广泛操作带宽。其设计的紧凑性，结合计算重建算法，使其非常适合芯片内和可植入应用。图2d展示了使用这种单结光谱仪进行光谱成像的概念验证演示，通过色彩图像过滤的宽带光进行光谱内容分析。图中展示了在各种门源电压（VGS）下的光电流映射数据，说明了光谱仪在记录和重建从可见光到近红外波长范围内的光谱图像方面的能力。这些图像的强度变化提供了对通过色彩图像不同部分的宽带光传输的见解，突显了光谱仪在空间分辨光谱分辨能力方面的优势。

Kwak等人提出的新型光谱学方案定制了光电探测器对特定回归或分类任务的光谱响应，标志着微型化和节能光学传感的显著进步。他们方法的核心在于光电探测器光谱响应的创新设计。这种定制的响应性能有助于在光子检测水平进行传感器内计算，消除了对外部数据处理的必要性。他们的原型基于MoS₂光电探测器与可调峰响应性能的光学腔结合，通过将光谱分解成其基本光谱成分，实现了光谱混合物的分析。这些创新方法利用BP、MoS₂和vdW异质结构等材料，重塑了光谱仪的能力。2D材料在光谱仪设计中的集成标志着一大步进，允许在更紧凑、高效和多功能的形式中进行复杂的光谱分析。这一发展不仅拓展了光谱仪在医学诊断、环境监测和材料科学等领域的实际应用，还在光学设备微型化方面设立了新的标准，预示着便携式但功能强大的光谱工具将成为各种技术领域中的普遍组成部分。

光子集成电路（PICs）

光电探测器在PICs中的集成标志着光学信息处理领域的重大进展。光信息接收器是光电探测器集成的核心之一，这是将光信号转换为电数据的关键应用。在PICs中，光电探测器被无缝地整合到光波导中，确保有效地捕获和转换传入的光信号。这种协同作用使得能够以高速实时处理大量数据成为可能，这在现代电信和数据中心操作中是必不可少的。此外，集成化简化了系统设计，减小了光学模块的尺寸和功耗。这种方法不仅提升了光通信系统的性能，还为芯片内光互联和先进传感技术等领域的新应用打开了大门，这些领域中高速和高效的光电转换至关重要。

光信息接收器

Marconi等人揭示了石墨烯光电探测器与硅光子学的创新集成，标志着未来光通信技术的重大进展。图3a展示了这种集成，CVD石墨烯光电探测器安装在硅波导上，实现了超过65 GHz的令人印象深刻的频率响应。该设备利用光热效应，异常高效地将光功率直接转换为电压，具有零暗电流和超快的操作速度。在这一背景下，石墨烯的独特性能的应用标志着光子集成电路技术的重大发展。通过设备结构的演变，Schuler等人展示了一种光热电石墨烯光电探测器与硅微环谐振器的集成。该研究在大约6 µm的单层石墨烯通道沿硅波导实现了超过90%的高效光吸收，如图3b所示。这一突破解决了当代石墨烯探测器相对于传统光电探测器的低响应性的普遍问题。有效的光吸收导致了输入功率约为0.6 mW时载流子温度接近400 K，从而获得了约90 V/W的显著电压响应性能。这种高性能是在不需要跨阻放大的情况下实现的，从而降低了每比特能耗和设备物理尺寸。此外，该设备表现出了高速性能，3 dB带宽约为12 GHz，使其适用于数据中心内的光互联应用。

图3. 石墨烯光子集成光信息接收器。

基于这种集成结构，王等人进一步探索了基于石墨烯-硅波导的超高速光相干接收器（OCR），这标志着高速光通信领域的重大创新。图5c阐明了所提出的OCR的结构和操作原理。该OCR包括一个90度光学混合器和四个石墨烯-等离子体槽波导光电探测器，以其紧凑的设计和广泛的带宽能力而闻名。90度光学混合器利用基于自成像原理的4 × 4多模干涉耦合器有效地管理输出端口光的相位。这种安排有助于通过解读光的振幅和相位中携带的信息，实现复杂调制格式的相干检测。图中还展示了在不同光输入条件下多模干涉耦合器的模式分布，说明了耦合器在相位控制方面的有效性。

该设备以其小尺寸和超过67 GHz的带宽脱颖而出。它能够高效处理二进制相移键控信号，达到每秒90 Gbit的速率，四相位相移键控信号高达每秒200 Gbit，以及16种象限振幅调制信号高达每秒240 Gbit，这些性能是在单偏振载波上实现的，且额外能耗非常低，低于每比特14 fJ。研究强调了石墨烯的光电特性、等离子体亚波长光束约束和硅光子学的协同组合，使得该接收器在速度和效率上都表现出色。这种集成方法使得该设备非常适合于下一代高速光通信网络的先进应用，如400-Gbit和800-Gbit以太网技术。该研究突显了基于石墨烯的光相干接收器在高速数据传输领域的转型潜力，为光通信领域的更高效和更紧凑系统铺平了道路。

这些创新方法充分利用了石墨烯等材料的独特光电特性，与硅光子学无缝集成，实现了在数据处理中前所未有的速度和效率水平。这种集成不仅提升了现有光学系统的性能，还为在芯片内光互联和先进传感技术等新应用领域开辟了道路。光电探测器与PICs之间的协同作用导致了设备的尺寸更小、带宽能力更强和功耗更低，标志着下一代光通信网络发展的重大飞跃。这一领域的进步预示着光信息处理的光明未来，其中高效、高速和紧凑的光信号转换为电数据将成为各种领域先进技术应用的基石。

小结

二维材料光电探测器在测距、光谱仪、光子集成电路（PICs）以及光信息接收器中的应用，进一步展示了其在前沿科技领域的巨大潜力。从提升测距技术的精度，到优化光谱仪的性能，再到推动光子集成电路的发展，以及革新光信息接收器的功能，二维材料以其独特的优势正在引领各项技术的革新。随着研究的深入和技术的不断进步，二维材料光电探测器在这些领域的应用前景将更加广阔，为未来的科技创新和产业发展提供重要动力。在下一个章节中，我们将继续探讨二维材料在更多尖端技术中的应用，揭示其在更广泛领域的潜力和价值。敬请期待下一部分的深入分析和探讨。

参考文献：Yu Wang, Luyao Mei, Yun Li, Xue Xia, Nan Cui, Gen Long, Wenzhi Yu, Weiqiang Chen, Haoran Mu, Shenghuang Lin, “Integration of two-dimensional materials based photodetectors for on-chip applications”, Physics Reports, 1081, 1-41 (2024).