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北京大學，重磅Nature子刊！

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研究背景
在光通信領域，硅光子學（SiPh）技術因其將波導、濾波器、光電探測器和波長分復用器等元素集成到一個硅芯片中的能力而備受矚目。然而，盡管SiPh具有諸多優點，但仍然面臨著一些挑戰，其中之一是光電探測器的性能問題。
光電探測器的性能對于數據傳輸的效率至關重要。高遷移率材料，如單層石墨烯，已經被證明是一種有潛力的材料，可以與SiPh集成，實現高帶寬的光通信。然而，石墨烯光電探測器通常具有低的光響應度，這主要是由于其弱光吸收能力所致。因此，解決石墨烯光電探測器光響應度低的問題成為了當前研究的關鍵挑戰之一。
為了解決這一問題，科學家們開始探索如何增強石墨烯光電探測器的光吸收能力。過去的研究主要集中在通過外部吸收增強結構來提高光響應度，如等離子體輔助納米結構、光子晶體波導和光吸收層等。然而，這些方法都是在石墨烯之外設計吸收增強結構，而不是直接改變核心通道材料的性質。
成果簡介
針對這一挑戰，北京大學彭海琳教授、王興軍教授、北京大學Qinci Wu研究團隊等人聯合在“Nature Communications”期刊上發表了題為“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”的最新論文。
本研究針對石墨烯光電探測器的光響應度問題提出了一種新的解決方案。研究人員將扭轉雙層石墨烯（tBLG）引入到SiPh中，以增強光電探測器通道的光吸收能力。通過在SiPh中集成tBLG光電探測器，研究人員實現了高達0.65 A W–1的響應度，以及大于65 GHz的3 dB帶寬和50 Gbit s–1的數據流速率。此外，他們還展示了大規模高遷移率tBLG的均勻性表現，為其作為SiPh的異質集成材料提供了前景。
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圖文導讀

在圖1中，研究者首先展示了tBLG SiPh光電探測器的器件概念和模擬結果。圖1a展示了tBLG光電探測器的示意圖，其中tBLG作為光吸收介質引入到Si波導上，并且采用地-信號-地（GND-S-GND）電極來收集光電流。模擬結果顯示，通過這種配置，tBLG器件在源端具有兩個電極/tBLG界面，這有助于分離tBLG中的光載流子，從而增強了光電流。圖1b展示了計算的4.1° tBLG的低能帶結構，顯示了紅色箭頭指示的共振光吸收。而圖1c則顯示了tBLG的光學導電率與扭轉角的關系，其中tBLG的光學導電率在1550 nm處達到最大值。圖1d進一步展示了tBLG在該配置下的吸收率，表明相比于其他材料，tBLG具有更高的吸收性能。
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圖1：器件概念和波導集成的扭轉雙層石墨烯光電探測器的模擬。
在圖2中，研究者展示了tBLG光電探測器的穩態光響應結果。圖2a展示了波導集成的tBLG光電探測器的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了tBLG的位置。圖2b展示了不同材料（4.1° tBLG、AB堆疊BLG和SLG）的光電流隨偏置電壓的變化情況。結果顯示，4.1° tBLG的光電流明顯高于其他兩種材料，表明其在1550 nm光檢測中的優勢。圖2c進一步展示了不同材料在不同波長下的光電流變化情況，結果也再次印證了4.1° tBLG在波段光學響應上的優勢。此外，圖2d展示了不同光功率下各種材料的光響應度變化情況，結果表明4.1° tBLG的光響應度明顯高于其他兩種材料。最后，圖2e展示了16個具有相同器件幾何形狀的tBLG光電探測器的統計直方圖，結果再次印證了tBLG光電探測器的優異性能和良好的器件一致性。
北京大學，重磅Nature子刊！圖2. 光電探測器的穩態光響應。
在圖3中，研究者首先通過實驗設置和分析工具，對tBLG光電探測器的高頻響應進行了詳細研究。通過測量參數S21，即光電響應，研究者發現，tBLG光電探測器在1至65 GHz范圍內保持在-3 dB以上，表明其3 dB帶寬（f3dB）超過65 GHz。進一步的模擬分析顯示，器件的f3dB可能主要受到RC參數的限制。此外，研究者進行了數據傳輸測試，展示了50 Gbit s–1 OOK信號的眼圖，證明了tBLG光電探測器在高速數據傳輸方面的潛力。器件的功耗約為0.8 pJ bit–1，比當前用于放大光電流的典型跨導放大器的功耗更低，顯示出其在未來應用中的潛力。
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圖3. 波導集成 tBLG 光電探測器的高頻光響應和數據接收測試。
在圖4中，研究者展示了將大尺寸tBLG集成到SiPh中的可能性。首先，他們詳細描述了大規模tBLG的制備過程，包括從Cu(111)上切割出的單向SLG單晶體，以及如何將其轉移到硅波導襯底上，形成約4.1°的扭轉角。然后，研究者基于轉移后的tBLG制備了一個包含八個器件的光電探測器陣列。通過測量這些器件的性能，研究者發現，這些器件的平均3 dB帶寬為36 ± 2 GHz，平均光響應度為0.46 ± 0.07 A W–1。這些結果表明，研究者不僅展示了一種可靠的大規模tBLG制備和轉移到硅光子襯底的方法，而且證實了這些器件具有一致的性能。這些成果為tBLG在SiPh中的大面積集成提供了重要的理論和實驗基礎，有望推動下一代高性能光電器件的發展。
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圖4. 扭轉雙層石墨烯光電探測器的大面積集成。
總結展望

本研究展示了將扭轉雙層石墨烯（tBLG）集成到硅光子學中作為光電探測器的潛力。通過利用tBLG在帶結構中van Hove奇點（vHs）處增強的光吸收效應，以及電極/tBLG界面處的強電場，我們實現了在1550nm光下顯著提高的光響應度。這不僅拓展了光電探測器的帶寬至超過65 GHz，并使其在50 Gbit s–1的數據傳輸速率下仍能表現出色。此外，我們還展示了大面積tBLG光電探測器陣列，具有高響應度和高帶寬。這些結果為未來光通信設備的發展提供了新的思路和方法，為構建高性能、低成本的光通信系統鋪平了道路。此外，我們的研究還推動了石墨烯及其衍生材料在光電子學領域的應用，促進了材料科學和光子學的交叉發展。
文獻信息
Wu, Q., Qian, J., Wang, Y. et al. Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors. Nat Commun 15, 3688 (2024).

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