2024, Advanced Materials——超高速与高灵敏：可见光通信的石墨烯微管光电探测技术

Graphene Readout Silicon-Based Microtube Photodetectors for Encrypted Visible Light Communication

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202413771?saml_referrer

亮点：

1. 石墨烯读出技术：实现光生载流子的快速提取，显著提升响应速度和灵敏度。
2. 全向光捕获：微管结构提供140°的广视场角，有效捕获来自不同方向的光信号。
3. 超高速响应：器件响应速度达75 ns，支持高达778 Mbps的数据传输速率。
4. 偏振光加密通信：利用偏振光增强信息安全性，为加密通信提供新方案。
5. 多场景应用潜力：兼具高效能和集成性，为物联网和信息安全领域带来突破性发展。

摘要

为了推动可见光通信技术的广泛应用，开发先进的光接收器至关重要。然而，多功能高性能的可见光接收器仍然受限于器件结构和系统复杂性。在本研究中，我们提出了一种基于石墨烯读出的硅基微管光电探测器，用作全向 Mbps级可见光通信的接收端。石墨烯与半导体材料系统的集成，既确保了对入射光的高效吸收，又实现了光生载流子的快速读出。该器件表现出75 ns的超快响应速度和6803 A W⁻¹的高响应度。此外，微管光电探测器实现了全向光捕获和增强的偏振光探测性能。作为可见光通信系统的接收端，该器件达到了778 Mbps的数据传输速率、140°的视场角，并支持基于偏振光的加密可见光通信，为未来物联网和信息安全的发展提供了新可能。

研究背景和主要内容

可见光通信 (VLC) 是近年来发展起来的一种通信方式，具有速率高、抗电磁干扰、频谱资源广泛等优点，在水下通信、数据广播、智能设备、加密传输等方面有着广泛的应用。其中，光电探测器作为信号接收器，对数据速率、通信范围等有着至关重要的影响，信号接收器的视场角越宽，通信覆盖范围和稳定性就越高，而多光信息通信功能可以进一步提高信息密度和安全性。目前，高性能的 VLC 探测器得到了广泛的研究。VLC 的接收端通常采用 pin 二极管和雪崩光电二极管。但这些平面器件一般难以实现大角度接收，而多维光信息器件的制作则需要额外复杂的 CMOS 工艺。因此，可见光通信接收机主要采用宏观接收阵列和附加光路条件，大大制约了可见光通信的传输效率和应用。可见光通信的未来发展迫切需要不包含附加光学元件的片上集成器件，以满足通信器件微型化、接收面积大、多维光信息传输的需求。

纳米膜作为一种具有优异柔韧性和半导体工艺兼容性的材料体系，可以通过应变层在厚度方向发生较大变形并组装成三维结构。通过适当的设计，自组装三维纳米膜可以实现有效的光电探测。基于各向异性微结构，自卷曲纳米膜微管结构无需额外光学元件即可实现全向可见光光电探测器。 在我们前期的工作中，观察和讨论了硅（Si）纳米膜微管中偏振光电探测的潜力。然而，自卷曲纳米膜可见光光电探测器仍然面临着诸如由于界面缺陷和材料迁移率低导致厚度较小的纳米膜响应度差、响应时间慢等挑战。此外，仅利用微结构的各向异性仍难以实现高效的偏振光电检测，难以满足高速可见光通信的快速、灵敏响应要求。

本文介绍了一种用于广角加密VLC的石墨烯(Gr)读出的硅锗(SiGe)/Si纳米膜微管光电探测器的设计理念。通过对微管横截面的透射电子显微镜(TEM)分析，证实了自卷曲技术的无损性和卷起技术的机理。Gr读出层集成在半导体纳米膜中，保证了器件的快速响应和稳定性。Gr读出的SiGe/Si微管光电探测器在很宽的电压范围内表现出良好的欧姆接触，表现出超快响应，并在可见光范围内实现灵敏而明显的光响应。随后，研究了Gr/SiGe界面处的功函数和电子密度，揭示了SiGe中光生载流子和光电门控效应的互补性以及Gr层中的快速读出。Gr读出型SiGe/Si光电探测器微管结构通过结构-材料耦合实现了近乎全向的片上光电探测和高二色性比偏振探测。微管光电探测器在开关键控（OOK）和离散多音（DMT）调制模式下均实现了数百Mbps级可见光通信，且与相同速率的平面光电探测器（≈80°）相比具有更高的视场（≈140°）。在偏振可见光通信中，可根据偏振态实现加密通信，揭示了微管光电探测器在小型化多功能光通信接收机中的应用潜力。

图1 Gr 读出 SiGe/Si 光电探测器的示意图和形貌特征。a) 卷起式 Gr 读出 SiGe/Si 光电探测器的应用场景图。b) Gr 读出 SiGe/Si 微管光电探测器示意图。c) 2 英寸晶圆上的 SiGe/Si 微管阵列的光学图像。d) Gr 读出 SiGe/Si 管的 SEM 图像（插图：Gr 读出 SiGe/Si 微管的通道区域）。e) 模拟管状和平面结构的吸收功率与入射角的关系。f) 模拟管状和平面结构的吸收功率与偏振角的关系。

图2 微管光电探测器的结构特性。a) 卷起的 Gr/SiGe/Si 微管的横截面 TEM 图像。b) i) 卷起的 Gr/SiGe/Si 微管的放大 TEM 图像。卷起的 Gr/SiGe/Si 微管中 ii) Si、iii) Ge 和 iv) Cr 含量的 EDS 映射。c) 卷起的 SiGe/Si 纳米膜中 SiGe/Si 界面的原子分辨率 HAADF-STEM 图像。d) SiGe/Si 界面的 SAED 图像。e) Si 和 SiGe 层平面内应变的几何相位图像。f) Cr/SiGe/Si 多层中的应力分布示意图和计算。g) Cr/SiGe/Si 多层中曲率半径与 Cr 层厚度的关系的理论计算和实验结果。误差线代表标准偏差。h) 平均应变与初始应变和 Cr 层厚度的关系。

图3 Gr 读出型 Si 基管状光电探测器的电气性能和光电探测机制。a)光电探测器从V  = −10 到 10 V的I – V曲线（插图：Gr/SiGe/Si 管状和 Gr/SiGe/Si 平面光电探测器从V = −10 到 10 V 的 I– V 曲线，线性刻度）。b) 光电探测器的 log( I )–log( V ) 曲线。c) Au/Gr/SiGe 多层异质结构中电位分布的 SKPM 映射。d) Gr/SiGe 异质结界面的能带。e) 光电探测器中 Gr/SiGe 界面中的载流子传输和光电门控。f) Gr 读出型 SiGe/Si 微管光电探测器的光电流映射。g) SiGe/Si 光电探测器（顶部黄线）和 Gr 读出型 SiGe/Si 微管光电探测器（底部红线）的响应时间。h) 光电探测器响应度与光功率 ( λ  = 450 nm) 之间的关系。i) Gr 读出型 SiGe/Si 光电探测器与其他 2D 材料和半导体光电探测器的性能比较。j) Gr/SiGe (111) 模拟结构示意图，其电荷差密度等值面和晶格平面 (110) 上的电荷密度差分布。k) Gr/SiGe (111) 的模拟能带 (插图：Γ 点附近的能带)。l) Gr/SiGe (111) 中的 C、Si 和 Ge 的 DOS (插图：Gr 狄拉克点附近的 Gr/SiGe 的 DOS)。

图4 Gr 读出 SiGe/Si 微管光电探测器的增强型多功能光电检测。a) Gr 读出 SiGe/Si 微管光电探测器中入射光的入射角和偏振角示意图。b) Gr 读出 SiGe/Si 微管光电探测器的全向光电检测。误差线代表标准偏差。c) 光电探测器从 500 到 840 nm 的归一化响应度（电压 = 1 V，功率 = 2 µW）。d) SiGe/Si 层的角度分辨偏振拉曼光谱，标有 Ge-Ge、Si-Ge 和 Si-Si 峰。偏振入射光波长为 e) 520 nm、f) 830 nm 和 g) 1064 nm（V  = 0 V）下的光电流。

可见光通信系统中光电探测器的传输测试对于验证其作为信号接收器的可行性至关重要。因此，我们建立了基于激光二极管（LD）的可见光通信测试平台来表征Gr读出光电探测器的性能（图 5a和实验部分）。在可见光通信接收器的性能中，−3 dB带宽在传输数据时起着至关重要的作用。从图 5b中可以看出，我们测试了微管结构的−3和−10 dB带宽，分别为50.5和64.9 MHz。微管器件的高带宽得益于Gr层的高迁移率和Gr/Cr电极界面的欧姆接触。在实际的可见光通信中，误码率（BER）关系取决于带宽和调制算法，OOK调制方法对于弱信噪比的信号可以取得更好的识别率。此外，当光的信噪比 (SNR) 大于 17.5 dB 时，器件也能表现出有效的响应，证明了该器件在 OOK 调制方法中的适用性。对于采用自适应 DMT 调制技术的通信系统，我们采用比特加载算法，目的是充分利用 SNR 来提高频谱效率，实现高数据传输速率。对于平面结构，该器件在 BER 为 0.0032 时表现出 16.9 到 27.1 dB 的 SNR 范围，而微管结构在 BER 为 0.0028 时表现出 15.9 到 27.5 dB 的 SNR 范围。这两种结构都可以有效地应用于 VLC 系统，同时充分利用可用带宽（图 5c；图S28，支持信息）。在OOK调制方法中，平面器件在前向纠错比特率阈值下可以实现最快的180 Mbps数据速率，而微管结构在此阈值下可以达到230 Mbps，比平面器件快约30%（图 5d）。我们还表征了平面和微管器件的定向入射光VLC。在160 Mbps的数据速率下，我们在不同角度对器件进行了OOK调制测试。微管器件的一个显著优势是用于高速VLC的片上宽视场光电检测。从图 5e中可以看出值得注意的是，平面器件只能在 θ = −45° 至 45° 范围内实现 VLC 且 BER 可接受，而微管结构可以在 θ = −75° 至 75° 范围内接收更宽的入射信号，满足宽 FOV 的要求。基于 DMT 调制的高频谱效率优势，我们可以使器件实现 sub-Gbps 通信速率。具体而言，在 DMT 调制中，平面器件和管状器件分别在波特率为 135 和 145 MHz 时可以达到 589 和 778 Mbps 的数据速率（图 5f ）。高 SNR 对于可靠的信号传输至关重要。微管光电探测器的功率谱表明，由于 145 MHz 的带宽限制（图5g ），在高频区域存在一些轻微的损失 ，但仍低于阈值。值得注意的是，在带宽限制为 135 MHz 的平面设备中也可以观察到损失（图 5f；图S29、S30，支持信息）。星座图直观地展示了通信质量。在平面设备中，DMT 可以实现最大 64-QAM 调制，平均阶数为 4.468（图 5h），而在微管设备中，它可以达到高达 128-QAM 调制，平均阶数为 5.496（图 5i）。因此，管状光电探测器在相似的波特率条件下能够实现更高的数据传输速率。通过利用 Gr 层和微管结构的偏振灵敏度，Gr/Si/SiGe 微管光电探测器可以成功处理加密的偏振信号。如图 5j所示，当平面光电探测器探测φ=−0°、90°的偏振光信号时，SiGe/Si层不呈现空间各向异性结构，Gr层在面内状态下无明显的偏振响应。因此，当偏振角从0°变为90°时，平面光电探测器的电流响应变化不大，解译的信号仍然为恒定的导通态“1”信号。而图 5k则表明微管光电探测器的光响应在90°时会明显降低偏振角响应，从而解译为关断态“0”信号。这说明光通信中除了对光强的解译外，还可以进一步分析偏振光所蕴含的信息，从而提升信息传输的维度，为高通量加密光信息接收提供一类方法。

图5 微管 Gr 读出 SiGe/Si 光电探测器的 VLC 性能。a) 光电探测测试装置示意图。b) Gr 读出 SiGe/Si 微管光电探测器的 −3 和 −10 dB 带宽。c) OOK 调制和 DMT 调制下 Gr 读出 SiGe/Si 光电探测器的入射光的 BER 和 SNR。d) OOK 调制下 Gr 读出 SiGe/Si 平面和微管光电探测器的 BER 和数据速率之间的关系。e) 数据速率 = 160 Mbps 时 Gr/SiGe/Si 平面和微管光电探测器的全向 OOK 调制。误差线代表平均值的标准误差。f) DMT 调制下 Gr 读出 SiGe/Si 平面和微管光电探测器的 BER、数据速率和波特率之间的关系。g) 卷起的 Gr/SiGe/Si 光电探测器的功率谱。h) 数据速率为 589 Mbps 时平面光电探测器的 DMT 信号的分配位分布（插图：接收信号的星座图，加载的位数从 2 到 6 位符号⁻¹）。i) 数据速率为 778 Mbps 时管状光电探测器的 DMT 信号的分配位分布（插图：接收信号的星座图，加载的位数从 2 到 7 位符号⁻¹）。Gr 读出 SiGe/Si j) 平面光电探测器和 k) 管状光电探测器中的偏振 VLC 的电流信号。