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盡管石墨烯已經滿足了許多最初預測的光電、熱和機械性能，但在制備具有大光譜帶寬和極高頻率響應的光電探測器仍然具有廣闊的前景。

在此，蘇黎世聯邦理工學院Juerg Leuthold教授和Stefan M. Koepfli教授展示了一種大于500千兆赫茲，平坦頻率響應，基于石墨烯的光電探測器，該探測器在環境條件下工作，光譜范圍為200納米寬，中心波長可適應小于1400至大于4200納米的范圍。

本文的探測器將石墨烯與超材料完美吸收體相結合，通過單模光纖直接照明，這打破了傳統的在集成光子平臺上的光電探測器的小型化限制，這種設計能夠實現更高的光功率，同時仍然具有創紀錄的高帶寬和數據速率。

結果表明，石墨烯光電探測器在速度、帶寬和大光譜范圍內的操作方面優于傳統技術。

相關文章以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”為題發表在Science。

研究背景

石墨烯已經滿足了許多最初預測的特性，并正在推向市場。然而，基于石墨烯的高性能電子和光子學仍然落后。

之前已經報道了與調制器，混頻器和光電探測器（PD）相關的令人印象深刻的光電器件。特別是，已經證明了利用石墨烯的高載流子遷移率、可調電性能和相對容易集成的基于石墨烯的PD。

盡管石墨烯從紫外線一直到遠紅外線之外提供了幾乎均勻的吸收，但主要的挑戰在于克服其相對較低的吸收率（約為2.3%）。盡管石墨烯在光子集成電路（PIC）上已經顯示出多種功能應用，但PIC集成也是有代價的。

PIC集成限制了可訪問的波長范圍，無論是由于波導材料（硅和其他材料）的透明度限制，還是由于集成光電路元件（光柵耦合器，分路器等）的帶寬有限。作為替代方案，石墨烯可以通過自由空間的垂直入射直接照射。

這種方法可以利用石墨烯的全部功能進行光檢測，而不會被所選光子平臺的局限性所掩蓋。然而，這需要一種結構來有效地增強石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸較大，有關整體器件幾何形狀及其接觸方案的其他考慮因素更為重要。

然而，即使是自由空間耦合的石墨烯探測器也可以達到超過40 GHz的帶寬，石墨烯提供了各種各樣的物理檢測效果：與傳統的PD不同，石墨烯探測器具有各種不同的檢測機制。

對于高速、高效的石墨烯PD的設計，目前尚不清楚哪種直接檢測機制可以實現最高帶寬，并且其中許多效應可以在一個器件中同時共存，這使得專用設計變得困難。

圖文詳解

本文報告了具有>500 GHz電光帶寬的零偏置石墨烯PD。在環境條件下工作，光譜范圍超過200 nm，并且可以適應從<1400到>4200 nm 的各種中心波長。

超材料完美吸收體層堆棧提供諧振增強，同時充當電觸點，并誘導pn摻雜，從而實現高效快速的載流子提取。光可以通過標準的單模光纖直接耦合到探測器，直接自由空間耦合可實現光功率的分配，從而導致高飽和功率高于100 mW，損傷閾值超過1 W。

該檢波器經過測試表明，具有兩級脈沖幅度調制格式（PAM-132）的高速運行速度高達2 Gbit/s。同時，層疊能夠實現幾乎獨立于襯底的加工，為經濟高效的技術奠定了基礎，該技術可以實現與電子設備的密集單片協集成。

更加重要的是，通過調整超材料幾何形狀以在中紅外波長范圍內工作，進一步展示了該方法的多功能性，從而在缺乏此類探測器的范圍內提供高速且具有成本效益的探測器。因此，新型傳感器為通信和傳感領域的應用提供了機會。

圖1.?對交錯石墨烯超材料PD的觀點

圖2.?制造器件和模擬光學和電子行為

圖3.?電信波長的設備性能

圖4.?頻譜可調性和多共振架構

綜上所示，本文演示的2至>500 GHz光電帶寬PD可與傳統的PIN PD技術和單行進載波光電二極管相媲美。

垂直入射超材料石墨烯PD在單個器件中提供了石墨烯的許多預測優勢，從概念上講，探測器的性能正在利用超材料吸收增強、通過石墨烯-金屬接觸摻雜實現內置場、通過靜電門控控制良好的操作點以及CVD生長石墨烯的有效鈍化等優勢。

該探測器依賴于相對簡單的金屬-絕緣體-石墨烯-金屬-絕緣體層堆棧，這有可能在任何基板上進行后處理。與大多數先前關于石墨烯探測器的工作不同，作者在互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的低壓范圍內展示了非冷卻，空氣穩定的操作。

結果顯示，這些器件展示了132 Gbit/s的數據速率，這是迄今為止已知的最高石墨烯數據速率。同時，>500 GHz的高帶寬和石墨烯的波長依賴性吸收使探測器能夠在1400至4200 nm及以上的窗口中以任何波長運行。

這與傳感和通信都相關。例如，在電信領域，持續的容量緊縮導致了解鎖新通信頻段的強烈愿望。這種新型探測器具有緊湊的占地面積和與CMOS集成的能力，因此可以滿足持續的迫切需求。

文獻信息

Stefan M. Koepfli*, Michael Baumann, Yesim Koyaz?, Robin Gadola, Arif Güng?r, 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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