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光学接收器的演变:光学探测器作为一种干扰技术
光学通信系统对更高数据传输速度和低功耗的无情需求推动了对光探测器新材料的研究。 基于III-V半导体或细菌的常规光探测器已经达到了性能高原,特别是在带宽、光谱范围、集成灵活性方面。 由单一原子层碳组成的二维材料Graphene已经成为下一代光学接收器的变革平台。 它的超强移动性、宽带吸收和与现有半导体过程的兼容性使其成为超快、高灵敏光探测电磁频谱的令人信服的候选工具。
理解 Graphene 独有的光电子属性
石墨烯的波段结构在Dirac点上呈现零带状,它使得光子从紫外线吸收到塔赫兹频率。 与传统的半导体相比,可见光的吸收系数约为每层2.3 % , 但堆叠层或与质子和波导结构结合的能力可以补偿。 关键是,石墨烯在脱脂样品中表现出超过20万cm2/V的极高载体流动性,在皮科秒范围内转换为超快的光反应时间。 此外,其机械灵活性和光学透明度(每层超过97%)允许无缝地融入灵活、可磨损和透明的光学接收器。
关键性能计量:反应、带宽和噪音
对于光学接收器中使用的任何光探测器,三个度量器在系统设计中占据主导地位:负载(A/W),带宽(Hz)和噪声等效功率(NEP). Graphene光探测器(BUPD)已经显示出内在带宽超过100GHz,超过了许多常规探测器. 然而,原始石墨烯的负载性受到低吸收效率(对极低的石墨烯来说最多为~6%)和快速重集光产生载体的限制。 为了克服这种情况,研究人员已经设计了混合探测器,利用了光导增益、光电效应和波罗度效应等机制。
| Parameter | Typical Graphene Detector | Conventional (InGaAs/Ge) |
|---|---|---|
| Responsivity (A/W) | 0.001 – 1 (without gain) | 0.5 – 1.0 |
| Bandwidth (3dB) | 50 – 200 GHz | 10 – 60 GHz |
| Dark Current | Low (μA scale) | Low to moderate |
| Spectral Range | UV to THz | Typically 900-1700 nm |
| Temperature Range | Broad (cryogenic to 400K) | Limited by material |
光学接收器基于图形的光检测器的构造
已经演示了几种设备架构,每种设备都有适合不同接收器应用的特定的权衡. 最常见的设计包括光导探测器,带有内置字段(如金属-图层-金属,石墨-p-n交汇)的光电二极管,以及光电传递器. 更先进的配置将石墨与质子天线,元材料,或微孔结合,以加强光吸收和裁剪光谱响应.
金属-断面-金属(MGM)光检测器
在 MGM 中,一个石墨通道连接两个金属接触. 金属-图形界面的Schottky屏障会形成一个内置电场,将光产生的电子孔对分开. 不对称屏障高度产生光流,即使零偏移,提供低暗电流和低偏移的高应力. 这些探测器使用标准的立体图形制作简单,并且与硅光学兼容. 然而,低吸收仍然限制了整体量子效率. 与光波导的结合,光照沿石墨层传播,可以通过一个数量级的顺序增加吸收路径长度和应力.
图形-硅混合光探测器
将石墨与常规硅光二极管结合,可以利用成熟的硅光子生态系统,同时增加石墨烯高速载体的惠益。在石墨烯-硅Schottky光二极管中,石墨烯既能起到透明导体的作用,又能起到光活性层的作用。石墨烯-西接口的内置潜力能有效地分离载体,实现超过30%的内部量子效率,反应时间低于20p。 这些设备对光学接收器在CMOS平台上的单晶集成很有希望,尽管对接口质量进行仔细的工程对于尽量减少暗流和费尔米水平的披针至关重要。
等离子增强图形探测器
为了解决低吸收问题,研究人员在石墨中定型了金属纳米结构(如纳米安非他明,栅栏),将事件光集中到亚波长体积中,从而大大提高局部场,从而提高吸收效率。 等离子增强可以在保持高带宽的同时通过10-100×促进有效回力,因为增强主要在于光学吸收,而不是载体动力学。例如,金弓天线或银纳米罗德阵列被显示在单层石墨中吸收了高达70%的事件光。 这种设计特别适合在芯片级足迹至关重要的密集波长分多路(DWDM)接收器。
性能瓶装和当前研究方向
尽管实验室进展迅速,但必须解决若干挑战,才能取代商业光学接收器中的现有技术。 首要问题仍然是吸收和带宽之间的权衡:为了增加吸收,通常必须增加设备面积或使用多层,这增加了电容和带宽。 利用石墨烯独特的电容极子能力等混合方法可以使这些电容脱落,但需要精确的纳米定型和先进的制造技术。
- 低光吸收(每个单层的 ⁇ 2.3%)仍然是基本极限;多层石墨增殖吸收但引入了降低载体流动性的层间散射.
- 通过化学蒸汽沉降(CVD)对高质量,统一的石墨烯进行大规模合成[],仍然面临诸如谷物边界、皱纹和污染等问题,这些问题使设备性能退化。
- 与二电平台结合(如硝化硅,硅对固氮)需要优化转移方法和封装,以保存石墨的内在性质.
- 热管理在高功率光学接收器中变得至关重要,因为石墨烯的热导率很高,但其每个原子的热容量很小,在强烈的连续波照明下会导致迅速局部加热.
最近的研究表明,有很有希望的解决办法。例如,一份2018年论文在自然光子[]中报告了一种石墨光检测器,与硅硝化波导结合,达到0.5 A/W负载和50 GHz带宽。从IEEE Ele Journal上的另一种方法显示,近红外线中具有10 A/W以上负载性的石墨电子学[ 显示一种石墨能有机异构结构,尽管带宽仅限于几兆赫兹。
光学接收器中的图形光探测器的未来展望
展望未来,光学接收器中光学元件的作用似乎得到了保证,但商业化之路需要解决制造和系统层面的集成挑战。 最有可能的初始部署将是在高速短距离的互联(<1公里 ) , 如数据中心中使用的,其中带宽密度和每位能量都占上风。 在这里,石墨烯的零偏差操作(消除电源供应)和超共性足迹的潜力提供了直接的优势。 与此同时,长电路和连贯的接收器可能会首先在平衡配置中采用光学元件,而其中共模拒绝和低噪音至关重要。
除了传统的光纤通信,石墨烯光探测器打开了新的应用的大门:柔性底座上的集成光子电路,使用光学心率传感器的可穿戴健康显示器,甚至泰拉赫茨成像系统也用于安全和无损测试. 石墨烯的机械灵活性和高速性能相结合,可以使可附着在曲线表面或嵌入纺织品中的有轨光学接收器得以实现.
从实验室到 Fab 的路线图
几个公司和研究联合体正在积极致力于可伸缩的石墨生产和设备整合。 欧盟的石墨旗舰计划加快了工业伙伴关系,最近演示出具有与脱叶样品相当的电子质量的瓦夫尔级CVD石墨表明,制造障碍是可以克服的。 一旦实现可靠的转移和兴奋剂控制,石墨质光检测器就可以在未来五年内进入试点生产。
为了全面审查最新动态,2021年的[自然通信中的审查对石墨光子及其前景作了极好的概述,此外,材料化学杂志C还出版了多个专门关于光解器与CMOS后端线集成的著作.
结论
光学探测器代表了光学接收器设计的范式转变,超越了传统半导体的物质限制。 光谱范围、集成灵活性等内在优势,它们可以使下一代通信系统更快、更节能、更适应性强。 尽管在工程方面仍然存在重大挑战,特别是在吸收效率和制造可扩展性方面,材料科学和装置工程的进展速度表明,光学接收器的第一个商业石墨光学探测器将在十年内到达,其影响不仅在高速数据中心,而且在需要轻量、灵活和透明的光子的新兴领域也会感受到。