四通道石墨烯光接收机

图1 四通道波分复用硅基集成石墨烯光接收机

1. 导读

硅基集成石墨烯光电探测器具有工作波段宽（如从可见光到长波红外）、超大带宽、CMOS兼容性高等方面的独特优势，在超高速/新波段光通信领域有重要应用潜力，因而备受关注。目前，相关器件级研究已取得系列进展，例如，基于光热电（PTE）效应的p–n同质结石墨烯光电探测器支持零偏压（零暗电流）工作，可同时实现数十GHz的带宽和可接受的灵敏度。然而，目前单元器件性能仍需提高，需要高性能石墨烯沟道材料和低电阻石墨烯–金属接触，同时，相关的光子集成链路级研究尚不成熟。

针对这些问题，近日浙江大学戴道锌教授团队与北京大学尹建波研究员团队和国家信息光电子创新中心肖希博士团队合作，在Nanophotonics发表最新文章，提出并实现了一种基于零偏压石墨烯光热电探测器的四通道波分复用光接收机。研究团队实现了尺寸为0.006 mm²的超紧凑有源区阵列，并通过机械剥离二维材料叠层转移技术集成hBN/石墨烯/hBN堆叠结构。得益于超小有源区，石墨烯探测器阵列展示了良好的均一性，实现了多通道光信号接收演示。

该研究实现了零偏压石墨烯光电探测器的阵列集成，展示了高质量机械剥离石墨烯和低接触电阻的石墨烯-金属边接触应用于规模化光子集成回路的可能，对提升面向链路级的石墨烯光电探测器的器件性能具有重要指导意义，同时，为CVD生长石墨烯和机械剥离石墨烯应用于硅基光子集成回路提供了一种高一致性策略，可以促进基于石墨烯的硅基有源光子集成芯片的发展。

2. 研究背景

硅基光子集成技术基于互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术，具有高产能、高集成度优势，在光通信/互联，光传感，光计算等领域有重要应用，近红外通信波段的硅基光收发芯片已应用于光通信/互联市场。随着全球通信容量需求持续增长，新波段光通信（例如U波段、2 μm波段）研究需求愈发重要，如何实现高速、宽波段、低集成成本工作的硅光片上光电探测成为广受关注的问题。石墨烯带隙为零，支持近中远红外光电探测，无晶格失配问题，可实现CMOS后端兼容，具有高载流子迁移率和超快载流子动力学过程，为上述问题提供了方案。

目前，高速石墨烯光电探测器可通过多种技术路线实现，基于基于光热电（Photothermoelectric : PTE）效应的p–n同质结方案具有零暗电流、大带宽、易于规模化集成、线性动态范围相对较大等优势，具有重要应用潜力，然而，其响应度、灵敏度和线性度相对传统半导体光电探测器仍有差距，需要进一步提升石墨烯质量，降低石墨烯-金属接触电阻。此外，目前基于石墨烯光电探测器的链路级研究尚不成熟，探测器一般基于暗电流较大的电导结构，同时均一性亟待提高，在材料方面，已有工作一般基于CVD生长石墨烯，而高质量机械剥离石墨烯常限于单原型器件演示。总之，硅基石墨烯有源光子集成回路的性能、均一性、功能演示复杂度方面仍有较大提升空间。

3. 创新研究

针对上述挑战，研究人员展示了一种基于微环阵列滤波器和在零偏压石墨烯光电探测器的四通道波分复用石墨烯光接收机（见图1）。输入光信号通过光栅耦合到硅光芯片，通过四通道微环谐振器阵列实现波长解复用，之后通过功率监测用功率分束器进入有源区阵列。该光子集成回路基于100 nm 特色薄硅波导平台，其在纵向抑制光场束缚，可增强传输光场与有源材料作用，提升器件响应。微环谐振器的耦合区通过贝塞尔曲线结构优化设计，具有低损耗、耦合比波长不敏感等优点。每个探测器有源区由狭缝波导构成，其两部分均可作为栅极调控沟道石墨烯掺杂，构建p–n同质结。有源区阵列经特殊设计，尺寸仅为100 × 60 μm²，因而支持机械剥离hBN/石墨烯/hBN叠层结构的完整覆盖，这种紧凑有源区使得探测器阵列在性能上有良好的一致性。

图2 硅基石墨烯光接收机结构示意图

图3展示了光接收机实验测试结果，微环谐振器阵列通道间隔1.5 nm，3dB带宽为0.87 nm。零电流偏置下，探测器阵列的（开路）响应度均为1.1 V W⁻¹左右，线性动态范围范围约为 0.01 -0.4 mW。在高速响应方面，四通道探测器均展现出远大于67 GHz的3dB带宽，该石墨烯光接收机在1550.25 nm、1548.7 nm、1546.4 nm和1544.68 nm载波下实现了无算法补偿的4×16 Gbps NRZ光信号直接接收。在石墨烯光电探测器性能方面，本工作器件的50Ω负载响应度高于大部分基于CVD石墨烯的同类器件，其带宽达到同类器件最佳水平。

图3 实验测试结果。(a) 微环滤波器传输谱； (b) 石墨烯光电探测器光电压-光功率响应曲线；(c) 石墨烯光电探测器高频响应曲线；(d) 4×16 Gbps NRZ光信号接收眼图。

4. 应用与展望

研究团队基于紧凑有源区设计、高质量二维材料叠层和薄硅光波导平台实现了四通道石墨烯硅基集成光接收机，其单元器件性能达到已有先进水平，并开展了链路级功能演示。该研究为高质量机械剥离石墨烯在光电芯片中的规模化集成做出重要探索，为硅基石墨烯光电器件阵列一致性提高提供思路。相关研究可以扩展到长波（例如，U波段、2 μm波段及以上），推进硅基石墨烯光子集成回路/芯片在下一代高速通信和新波段通信中实现重要应用。

该研究成果以“Four-Channel Graphene Optical Receiver”为题在线发表在Nanophotonics。

本文作者分别是Laiwen Yu, Yurui Li, Hengtai Xiang, Yuanrong Li, Hengzhen Cao, Zhongyang Ji, Liu Liu, Xi Xiao, Jianbo Yin, Jingshu Guo, Daoxin Dai，其中浙大光电学院虞来文博士（现入职甬江实验室）和北大前沿交叉学科研究院李雨芮博士研究生为共同第一作者，浙大光电学院郭敬书研究员为通讯作者。北大电子学院/前沿交叉学科研究院尹建波研究员团队在叠层二维材料方面有重要贡献，中国信科肖希博士团队在器件测量方面提供帮助，浙大光电学院戴道锌教授对研究提供重要指导，合作者还包括浙大光电学院刘柳研究员/长聘副教授等。研究受到国家重点研发计划项目“晶圆级石墨烯单晶与高速光通信器件”（2022YFA1204900），国家自然科学基金，浙江省自然科学基金等项目资助。