北京大学，重磅Nature子刊

研究背景

在光通信领域，硅光子学（SiPh）技术因其将波导、滤波器、光电探测器和波长分复用器等元素集成到一个硅芯片中的能力而备受瞩目。然而，尽管SiPh具有诸多优点，但仍然面临着一些挑战，其中之一是光电探测器的性能问题。

光电探测器的性能对于数据传输的效率至关重要。高迁移率材料，如单层石墨烯，已经被证明是一种有潜力的材料，可以与SiPh集成，实现高带宽的光通信。然而，石墨烯光电探测器通常具有低的光响应度，这主要是由于其弱光吸收能力所致。因此，解决石墨烯光电探测器光响应度低的问题成为了当前研究的关键挑战之一。

为了解决这一问题，科学家们开始探索如何增强石墨烯光电探测器的光吸收能力。过去的研究主要集中在通过外部吸收增强结构来提高光响应度，如等离子体辅助纳米结构、光子晶体波导和光吸收层等。然而，这些方法都是在石墨烯之外设计吸收增强结构，而不是直接改变核心通道材料的性质。

成果简介

针对这一挑战，北京大学彭海琳教授、王兴军教授、北京大学Qinci Wu研究团队等人联合在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”的最新论文。

本研究针对石墨烯光电探测器的光响应度问题提出了一种新的解决方案。研究人员将扭转双层石墨烯（tBLG）引入到SiPh中，以增强光电探测器通道的光吸收能力。通过在SiPh中集成tBLG光电探测器，研究人员实现了高达0.65 A W–1的响应度，以及大于65 GHz的3 dB带宽和50 Gbit s–1的数据流速率。此外，他们还展示了大规模高迁移率tBLG的均匀性表现，为其作为SiPh的异质集成材料提供了前景。

图文导读

在图1中，研究者首先展示了tBLG SiPh光电探测器的器件概念和模拟结果。图1a展示了tBLG光电探测器的示意图，其中tBLG作为光吸收介质引入到Si波导上，并且采用地-信号-地（GND-S-GND）电极来收集光电流。模拟结果显示，通过这种配置，tBLG器件在源端具有两个电极/tBLG界面，这有助于分离tBLG中的光载流子，从而增强了光电流。图1b展示了计算的4.1° tBLG的低能带结构，显示了红色箭头指示的共振光吸收。而图1c则显示了tBLG的光学导电率与扭转角的关系，其中tBLG的光学导电率在1550 nm处达到最大值。图1d进一步展示了tBLG在该配置下的吸收率，表明相比于其他材料，tBLG具有更高的吸收性能。

图1：器件概念和波导集成的扭转双层石墨烯光电探测器的模拟。

在图2中，研究者展示了tBLG光电探测器的稳态光响应结果。图2a展示了波导集成的tBLG光电探测器的扫描电子显微镜图像，显示了tBLG的位置。图2b展示了不同材料（4.1° tBLG、AB堆叠BLG和SLG）的光电流随偏置电压的变化情况。结果显示，4.1° tBLG的光电流明显高于其他两种材料，表明其在1550 nm光检测中的优势。图2c进一步展示了不同材料在不同波长下的光电流变化情况，结果也再次印证了4.1° tBLG在波段光学响应上的优势。此外，图2d展示了不同光功率下各种材料的光响应度变化情况，结果表明4.1° tBLG的光响应度明显高于其他两种材料。最后，图2e展示了16个具有相同器件几何形状的tBLG光电探测器的统计直方图，结果再次印证了tBLG光电探测器的优异性能和良好的器件一致性。

图2. 光电探测器的稳态光响应。

在图3中，研究者首先通过实验设置和分析工具，对tBLG光电探测器的高频响应进行了详细研究。通过测量参数S21，即光电响应，研究者发现，tBLG光电探测器在1至65 GHz范围内保持在-3 dB以上，表明其3 dB带宽（f3dB）超过65 GHz。进一步的模拟分析显示，器件的f3dB可能主要受到RC参数的限制。此外，研究者进行了数据传输测试，展示了50 Gbit s–1 OOK信号的眼图，证明了tBLG光电探测器在高速数据传输方面的潜力。器件的功耗约为0.8 pJ bit–1，比当前用于放大光电流的典型跨导放大器的功耗更低，显示出其在未来应用中的潜力。

图3. 波导集成 tBLG 光电探测器的高频光响应和数据接收测试。

在图4中，研究者展示了将大尺寸tBLG集成到SiPh中的可能性。首先，他们详细描述了大规模tBLG的制备过程，包括从Cu(111)上切割出的单向SLG单晶体，以及如何将其转移到硅波导衬底上，形成约4.1°的扭转角。然后，研究者基于转移后的tBLG制备了一个包含八个器件的光电探测器阵列。通过测量这些器件的性能，研究者发现，这些器件的平均3 dB带宽为36 ± 2 GHz，平均光响应度为0.46 ± 0.07 A W–1。这些结果表明，研究者不仅展示了一种可靠的大规模tBLG制备和转移到硅光子衬底的方法，而且证实了这些器件具有一致的性能。这些成果为tBLG在SiPh中的大面积集成提供了重要的理论和实验基础，有望推动下一代高性能光电器件的发展。

图4. 扭转双层石墨烯光电探测器的大面积集成。

总结展望

本研究展示了将扭转双层石墨烯（tBLG）集成到硅光子学中作为光电探测器的潜力。通过利用tBLG在带结构中van Hove奇点（vHs）处增强的光吸收效应，以及电极/tBLG界面处的强电场，我们实现了在1550nm光下显著提高的光响应度。这不仅拓展了光电探测器的带宽至超过65 GHz，并使其在50 Gbit s–1的数据传输速率下仍能表现出色。此外，我们还展示了大面积tBLG光电探测器阵列，具有高响应度和高带宽。这些结果为未来光通信设备的发展提供了新的思路和方法，为构建高性能、低成本的光通信系统铺平了道路。此外，我们的研究还推动了石墨烯及其衍生材料在光电子学领域的应用，促进了材料科学和光子学的交叉发展。

文献信息

Wu, Q., Qian, J., Wang, Y. et al. Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors. Nat Commun 15, 3688 (2024).