石墨烯-硅基混合光子集成電路?

肖廷輝 于洋 李志遠

1)(中國科學院物理研究所光物理實驗室,北京 100190)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(華南理工大學物理與光電學院,廣州 510640)

石墨烯-硅基混合光子集成電路?

肖廷輝1)#于洋1)2)#李志遠3)1)?

1)(中國科學院物理研究所光物理實驗室,北京 100190)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(華南理工大學物理與光電學院,廣州 510640)

(2017年6月27日收到;2017年7月31日收到修改稿)

硅基光子學,石墨烯光子學,集成光子學

1 引 言

自2004年首次在實驗中通過機械剝離的方法制備成功后,石墨烯作為一種兼具高載流子遷移率、高機械強度以及高熱導率等優(yōu)越性質的二維材料,一直受到科學界和工業(yè)界的廣泛關注[1?3].基于石墨烯的研究與應用涵蓋了物理、化學、生物醫(yī)學、材料科學和工程技術等方方面面.其中,作為一種優(yōu)秀的光電材料,石墨烯被認為將極大地促進光電子技術的發(fā)展.與傳統(tǒng)的半導體光電材料相比,石墨烯具有很多優(yōu)點[4].首先,石墨烯具有更高的載流子遷移率,其高達106cm2·V?1·s?1的載流子遷移率在高速高頻光電器件方面具有重要應用潛力.其次,石墨烯在可見和紅外波段具有恒定的2.3%的寬帶吸收,可用于實現(xiàn)寬帶光電器件.另外,單原子層的石墨烯還具有更加敏感的光電響應,人們可通過化學摻雜、外加柵壓和光抽運的方法改變石墨烯費米能級,從而控制石墨烯內的載流子濃度和光學躍遷[5].石墨烯在光電方面的這些優(yōu)點,為實現(xiàn)高性能光電器件提供了新的可能.

與此同時,硅基光子學在近年來已慢慢走向成熟,它被認為是未來取代電子集成電路、實現(xiàn)下一代光子集成電路的關鍵技術[6,7].這得益于其與現(xiàn)代的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝相兼容,能夠實現(xiàn)廉價的大規(guī)模集成,并為未來高速寬帶通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)互連提供了可實用的方案.隨著硅基光子學在近年來的不斷發(fā)展,寬帶低損耗的波導和一些無源器件[8?10],如分束器、耦合器等已經(jīng)日漸成熟,并已開始走向商用.但對于實現(xiàn)光子集成電路中一些不可或缺的有源器件,如片上光源、調制器、探測器等,仍然存在著許多問題和挑戰(zhàn).這主要源于硅是一種間接帶隙半導體,且其電光系數(shù)和非線性系數(shù)較小.人們?yōu)榻鉀Q這些問題,將III-V族半導體或鍺作為有源材料引入無源的硅器件中[11].然而這些材料高昂的價格以及與硅材料集成上的一些技術問題,阻礙了它們的商業(yè)化與大規(guī)模集成.

石墨烯的出現(xiàn)為以上問題的解決、實現(xiàn)高性能的光電器件提供了新的可能[12].隨著合成制備工藝的發(fā)展,由單層碳原子組成的石墨烯與傳統(tǒng)的III-V族半導體或鍺相比,具有明顯的價格優(yōu)勢.其次,由于石墨烯本身所具有的二維材料特性,能夠方便地集成在現(xiàn)有的硅基器件上,且與現(xiàn)有硅基工藝相兼容.更為重要的是,石墨烯本身所具有的優(yōu)越的光電特性,可以作為有源材料大大提升現(xiàn)有器件的性能.因而,近幾年石墨烯與硅基相結合的混合光子集成器件得到了前所未有的發(fā)展,這些器件所組成的石墨烯-硅基混合光子集成電路,為突破現(xiàn)有硅基光子集成電路的瓶頸,實現(xiàn)下一代高速高數(shù)據(jù)密度的光通信和信息互聯(lián)注入了新的活力.

本文結合我們課題組最近的研究成果,綜述國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的一些重要的最新進展,內容涵蓋了光子集成電路中最重要的幾個組成部分,包括光源、波導、調制器和探測器.

2 石墨烯-硅基混合集成光源

片上集成光源是實現(xiàn)片上光通信、產(chǎn)生光通信載體的源頭.但由于硅是一種間接帶隙半導體,輻射躍遷概率極低,無法像直接帶隙半導體通過電注入的方式增加輻射躍遷產(chǎn)生光子,形成所需的光源,因而在硅材料中實現(xiàn)電抽運的集成光源一直是一個巨大的挑戰(zhàn).通過引入III-V族半導體材料雖然能夠從某種程度上解決這一問題,但存在著價格昂貴和集成困難等問題.石墨烯本身作為一種無帶隙的材料,載流子主要通過較快的電子-電子和電子-聲子相互作用過程弛豫,而非通過較慢的輻射躍遷過程,因而,石墨烯本身作為輻射躍遷的載體形成所需光源也并非易事.近兩年,石墨烯-硅基混合集成光源開始嶄露頭角,為實現(xiàn)廉價、可大規(guī)模生產(chǎn)且與CMOS工藝相兼容的片上集成光源開辟了新的道路.這些混合集成光源主要通過石墨烯內熱載流子的熱輻射來實現(xiàn)[13?15],并通過硅基結構對輻射波長進行有效調控.

2015年,哥倫比亞大學的Kim等[16]通過外加電流偏置的方法,實現(xiàn)了石墨烯內部電子和聲子溫度的去耦合,并將石墨烯內部空間局域的熱電子加熱到2800 K,從而產(chǎn)生了從可見到近紅外波段的熱輻射,并利用硅基結構的干涉效應,對輻射光譜進行了調節(jié).實驗中所采用的的器件結構如圖1(a)所示,當源極和漏極之間的電壓加至2.90 V時,可以觀測到人眼可分辨的可見發(fā)光,如圖1(b)所示.此外,他們充分利用了混合集成結構的特性,通過改變懸空的石墨烯和硅襯底之間的距離,實現(xiàn)了對輻射光譜的有效調節(jié).硅基結構對輻射光譜的調節(jié)原理示意圖如圖2(a)所示.石墨烯熱載流子產(chǎn)生的熱輻射會向自由空間和硅襯底兩個不同方向發(fā)生輻射,向硅襯底方向發(fā)生的熱輻射會受到襯底的反射而與直接從石墨烯中產(chǎn)生的熱輻射發(fā)生干涉,圖2(a)中的紅色區(qū)域所示的是由于干涉相長導致的輻射光強增強.由于干涉效應,不同溝道深度對于熱輻射光譜具有調節(jié)作用,其模擬結果如圖2(b)和圖2(c)所示.可以看出,對于同樣的光譜范圍,隨著溝道深度的增加,兩個相鄰干涉增強的波長間距逐漸減小.這一調制可類比法布里-珀羅腔的縱模間距隨腔長的變化.

圖1 (a)石墨烯熱輻射光源器件的贗色掃描電子顯微鏡圖;(b)石墨烯熱輻射器件發(fā)光時的光學顯微鏡圖[16]Fig.1.(a)Fake-color scanning electron microscopy image of a graphene-based thermal emitter;(b)optical microscopy image of light emission from a graphene-based thermal emitter[16].

圖2 (a)集成硅基結構對熱輻射光源的光譜調節(jié)示意圖;(b)熱輻射強度隨溝道深度和光子能量的分布;(c)不同溝道深度的熱輻射光譜[16]Fig.2.(a)Schematic of tuning the thermal emission spectrum by an integrated silicon structure;(b)thermal emission intensity as a function of the trench depth and photon energy;(c)thermal emission spectra of the thermal emitter with different trench depths[16].

2016年,麻省理工學院的Englund小組[17]利用石墨烯-硅基光子晶體微腔結構實現(xiàn)了電驅動的片上熱輻射光源.他們同樣使用外加偏置電壓的方法,通過在石墨烯內部產(chǎn)生熱載流子的方式來產(chǎn)生熱輻射.熱輻射受到硅基光子晶體微腔的調制,在腔的共振波長處產(chǎn)生了增強的窄帶輻射峰,且具有很強的偏振依賴性.他們的工作實現(xiàn)了對片上熱輻射光源的光譜和偏振控制.通過在源漏電極間加入不同的偏置電壓,他們觀測到了熱輻射峰的移動.這些輻射峰對應于光子晶體微腔不同模式的共振波長,說明在不同偏壓下,器件的熱輻射波長發(fā)生了移動.此外,他們還測量了不同偏振條件下的熱輻射強度,證明了受到硅基光子晶體微腔調制的熱輻射具有偏振依賴性.

石墨烯-硅基混合集成光源雖然為實現(xiàn)廉價且可大規(guī)模生產(chǎn)的片上集成光源提供了新的思路,但仍然存在許多問題和挑戰(zhàn).利用熱輻射的光源存在電光能量轉換效率低、局域溫度高而影響集成環(huán)境等問題;與通信質量密切相關的光束質量和相干性等方面也需要進一步的研究和完善.當然,通過引入其他物理過程和機制而實現(xiàn)的光學輻射仍有待人們進一步的研究和探索,比如利用石墨烯內的熱電子產(chǎn)生表面等離激元的光源[18],由石墨烯的非線性效應產(chǎn)生高次諧波[19,20],以及利用石墨烯量子點的光致發(fā)光等[21].值得注意的是,相比于光產(chǎn)生光的非線性過程,電產(chǎn)生光的過程更能夠從根本上解決片上光源問題.

3 石墨烯-硅基混合集成光波導

光波導作為片上光通信各器件連接和信息互聯(lián)的通道,看似簡單卻起著舉足輕重的作用.隨著近年來硅基光子學的發(fā)展與制備工藝的不斷完善,實現(xiàn)低損耗的硅基波導已并非難事.而將石墨烯作為有源層與硅基波導相集成,大大擴展了波導器件的功能.一方面,石墨烯作為有源層為波導的主動調制提供了可能.另一方面,硅基波導增加了光與石墨烯的相互作用長度,從而增強了石墨烯的光吸收和非線性效應.

2011年,加州大學伯克利分校的Zhang研究組[22]首先提出了石墨烯-硅基混合集成光波導的結構.該結構在寬帶光調制器上的成功應用,立即引起了相關研究者的廣泛關注.2012年,明尼蘇達大學的Li研究組[23]首先對石墨烯-硅基混合集成波導的吸收損耗進行了細致的研究.研究發(fā)現(xiàn),相比于垂直照射情況下的石墨烯僅有的2.3%的吸收,當石墨烯集成在硅基波導表面形成混合波導結構時,其吸收損耗可達為0.2 dB/μm,即在50μm的相互作用長度即可達到10 dB的吸收損耗,相當于實現(xiàn)了90%的光吸收.石墨烯吸收的增強大大增加了石墨烯的光電轉換效率.圖3(a)和圖3(b)所示分別為兩種不同光與石墨烯相互作用的示意圖.圖3(c)所示為石墨烯-硅基混合波導的TE基橫模的強度分布,從圖3(c)可以看出,石墨烯與硅基波導的模場主要是通過倏逝波進行相互作用.2014年,香港中文大學的Tsang課題組[24]對石墨烯-硅基混合集成波導中的自由載流子吸收的動力學過程進行了進一步的研究,圖4所示為抽運探測的實驗結果,研究表明,載流子注入引起波導損耗增加的上升時間與自由載流子復合使波導損耗恢復的下降時間都是幾個微秒,與硅材料的載流子壽命在同一量級,據(jù)此提出了石墨烯產(chǎn)生的載流子注入硅波導的效應.

圖3 (a)垂直入射時石墨烯光吸收示意圖;(b)與波導集成時石墨烯光吸收示意圖;(c)石墨烯-硅基混合波導的TE基橫模[23]Fig.3. (a)Schematic of graphene absorption for normal incident light;(b)schematic of waveguideintegrated graphene absorption;(c)fundamental TE mode of a graphene-silicon hybrid waveguide[23].

除了對混合波導中光吸收的研究外,2015年,國防科技大學的Liu等[25]對于石墨烯-硅基混合集成波導的非線性效應進行了研究.研究表明,當飛秒脈沖耦合入波導,由于石墨烯極大的克爾非線性系數(shù),將產(chǎn)生由自相位調制導致的明顯的頻譜展寬,如圖5(a)和圖5(b)所示.同年,浙江大學的Dai研究組[26]根據(jù)石墨烯表面等離激元對電磁場的極強的局域特性,提出了硅上集成的石墨烯表面等離激元納米波導.最近,東京大學的Goda研究組[27]提出了利用狹縫硅基波導結構激發(fā)石墨烯表面等離激元的設計,并研究了產(chǎn)生的表面等離激元對波導傳輸?shù)恼{制作用.混合集成波導結構示意圖如圖6(a)所示,整個器件設計在絕緣體上硅的晶片上,器件下方的絕緣層被氫氟酸去除,使器件形成空氣橋式的結構,從而將器件的工作波長延伸至中紅外波段.石墨烯覆蓋在狹縫寬度為80 nm的狹縫波導上,其費米能級可以通過金屬電極進行調節(jié).波導的兩端分別與兩個亞波長光柵耦合器相連,通過它們,入射光和出射光可以分別由兩根光纖耦合入和耦合出器件.石墨烯的表面等離激元通過狹縫的散射被激發(fā).表面等離激元對波導的調制結果如圖6(b)所示,由于所激發(fā)的表面等離激元波長與費米能級相關,因而在不同費米能級下,由狹縫兩側所激發(fā)的表面等離激元產(chǎn)生干涉相長或相消的結果.這影響了波導模式的分布,從而影響了石墨烯的吸收,使得混合波導的傳輸損耗隨費米能級呈現(xiàn)出了周期性的調制.

圖4 (a)石墨烯-硅基混合波導中,不同功率的抽運光對探測光的調制;(b)探測光信號的瞬態(tài)響應過程[24]Fig.4.(a)Modulation of probe light by pump light with different powers in a graphene-silicon hybrid waveguide;(b)temporal response process of the probe light[24].

圖5 (a)飛秒激光入射時,硅基波導的透射譜;(b)同樣的飛秒激光入射時,石墨烯-硅基混合波導透射譜由于自相位調制發(fā)生展寬[25]Fig.5.(a)Transmission spectrum of a silicon waveguide with a femtosecond laser input;(b)broadening of the transmission spectrum of a graphene-silicon hybrid waveguide with a femtosecond laser input[25].

圖6 (a)石墨烯-硅基混合狹縫波導示意圖;(b)不同費米能級所激發(fā)的石墨烯表面等離激元對波導模系數(shù)的調制[27]Fig.6.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid slot waveguide;(b)modulation of the waveguide mode index by excited graphene surface plasmons at different Fermi levels[27].

石墨烯-硅基混合集成波導利用石墨烯作為有源層,打破了原本硅基波導只能作為低損耗的被動器件實現(xiàn)器件間互連的單一功能,實現(xiàn)了主動調制的波導傳輸模式,并能夠利用波導中光與石墨烯的長距離相互作用,充分挖掘石墨烯的光電性質及其非線性效應.對于石墨烯-硅基混合集成波導中的一些重要物理過程,如光吸收[28?30]、非線性效應[31?33]和表面等離激元[34?36]等的深入研究,為實現(xiàn)石墨烯-硅基混合集成平臺中的各種有源器件打下了堅實的基礎.雖然近年來關于石墨烯-硅基混合集成波導的研究已經(jīng)較為全面,但作為實現(xiàn)其他有源器件的基礎,實現(xiàn)更強的石墨烯與波導模相互作用仍然具有重要的應用前景,基于石墨烯的優(yōu)化波導結構的設計,如狹縫波導、慢光光子晶體波導等[37],新的內部物理機制的引入和調控,如表面等離激元的激發(fā)和石墨烯-硅波導異質結內的載流子控制等[38],都有助于未來實現(xiàn)高效、高可控性的石墨烯-硅基混合集成波導.

4 石墨烯-硅基混合集成光調制器

光調制器作為光通信系統(tǒng)中對光信號處理的最基本器件,對通信質量、速度和帶寬起著決定性的作用.現(xiàn)階段,在硅基平臺上實現(xiàn)高性能的調制器,仍然存在著一些問題.其中一個最主要的原因在于硅材料本身較小的電光系數(shù).石墨烯-硅基混合集成調制器的出現(xiàn),彌補了這一缺點,并帶來了許多新的優(yōu)勢.首先,石墨烯具有極大的電光系數(shù),這意味著在相同的調制電壓下,調制器的調制深度可以做得更大.其次,由于狄拉克費米子的高頻電導是一個常數(shù),石墨烯具有可覆蓋通信波段到中紅外的寬帶恒定的光吸收系數(shù),可用于實現(xiàn)寬帶的調制器.另外,石墨烯極高的載流子遷移率,可以大大提高調制器的調制速度.石墨烯光生載流子的產(chǎn)生和弛豫時間在皮秒量級,理論上調制器的調制頻率可以做到幾百GHz,比實驗上所能實現(xiàn)的最快硅基調制器快10倍以上.

2011年,加州大學伯克利分校的Zhang課題組[22]在實驗上實現(xiàn)了第一個石墨烯-硅基混合集成光調制器,其結構如圖7(a)所示.通過主動調節(jié)單層石墨烯的費米能級來調節(jié)石墨烯的吸收,實現(xiàn)了GHz的調制速度,以及0.1 dB/μm的強度調制深度.由于該調制器的石墨烯-硅基波導混合集成結構,充分利用了波導與石墨烯吸收的寬帶特性,該器件可工作在1.35—1.6μm的寬帶范圍內.圖7(b)所示為不同調制電壓下調制器的調制深度測量結果,不同的調制電壓被分成了三個不同的調制電壓區(qū)域,分別對應了石墨烯費米能級和入射光子能量的三種不同關系.在中間的調制電壓區(qū)域,石墨烯的費米能級靠近狄拉克點,石墨烯內的電子可以通過帶間躍遷的方式吸收光子,吸收較強,調制深度較大.而在左側的調制電壓區(qū)域,由于石墨烯費米能級低于光子能量的一半,因而入射光的能量不足以激發(fā)電子實現(xiàn)帶間躍遷,因而吸收較弱,調制深度也較弱.對于右側的調制電壓區(qū)域,由于費米能級過高,與入射光子能量相對應的電子態(tài)都已經(jīng)被電子占滿,帶間躍遷被禁止,因而吸收也較弱,調制深度也較弱.該調制器通過改變石墨烯的費米能級而控制電子在能帶的填充情況,實現(xiàn)了對石墨烯內的光學躍遷和吸收的調制,進而實現(xiàn)對硅基波導內光強的調制.

圖7 (a)石墨烯-硅基混合寬帶光調制器示意圖;(b)光調制器在不同調制電壓下的調制深度[22]Fig.7.(a)Schematic of a broadband graphene-silicon hybrid optical modulator;(b)modulation depth of the optical modulator at various drive voltages[22].

圖8 (a)電調制石墨烯-硅基混合光子晶體微腔;(b)硅基光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖;(c)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖[39]Fig.8. (a)Schematic of an electrically modulated graphene-silicon hybrid photonic crystal cavity;(b)scanning electron microscopy image of a silicon photonic crystal cavity;(c)scanning electron microscopy image of a graphene-silicon hybrid photonic crystal cavity[39].

然而基于波導結構的石墨烯-硅基混合集成光調制器的尺寸通常會比較大,因為波導中的光需要經(jīng)過足夠長的傳播距離才能達到所需的調制深度.為解決這一問題,2013年,加州大學伯克利分校的Wang課題組[39]將石墨烯集成在硅基光子晶體微腔上的結構來實現(xiàn)光調制.該結構極大地增強了光與石墨烯的相互作用,減小了光調制器的尺寸.器件結構示意圖和電鏡圖如圖8所示.為了能在較大地范圍內調節(jié)石墨烯的費米能級,該器件使用的是離子凝膠柵極來調制石墨烯的費米能級,但由于離子在電場的作用下響應較慢,調制器的調制速度受到了極大的限制.2014年,萊斯大學的Xu課題組[40]提出了更高調制效率的石墨烯-硅基微環(huán)諧振腔混合集成光調制器,其結構示意圖如圖9(a)所示.由于微環(huán)諧振腔極高的Q值,諧振腔內的光與石墨烯的相互作用被大大增強,電調制導致的石墨烯吸收率的微小變化都會被放大,因而,該調制器具有極高的調制效率.如圖9(b)所示,他們在實驗中實現(xiàn)了40%的調制深度.2015年,丹麥技術大學的Mortensen研究組[41]對影響石墨烯-硅基微環(huán)諧振腔混合集成光調制器中調制深度的因素進行了更為細致的研究,給出了石墨烯在微環(huán)腔上不同的包覆長度對調制深度的影響.他們在實驗中分別研究了四分之一、二分之一和四分之三微環(huán)包覆長度的調制器的調制深度.石墨烯-硅基微環(huán)光調制器的調制深度由微環(huán)的臨界耦合條件所決定,而在他們所設計的微環(huán)調制器中,四分之一石墨烯包覆長度的微環(huán)調制器與臨界耦合條件更為接近,因而在?8.8 V的較小電壓偏置下即可實現(xiàn)12.5 dB的調制深度.而較長包覆長度的調制器的調制深度較低,二分之一石墨烯包覆長度的微環(huán)調制器在?12.5 V的較高調制電壓偏置下只能實現(xiàn)6.2 dB的調制深度.此外,較長石墨烯包覆還會帶來較大的吸收損耗,使得微環(huán)腔的Q值降低,調制器的帶寬增大.

圖9 (a)石墨烯-硅基混合微環(huán)諧振腔光調制器示意圖;(b)光調制器在不同調制電壓下的調制深度[40]Fig.9.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid microring-cavity optical modulator;(b)modulation depth of the optical modulator at various drive voltages[40].

以上的工作都是電調制光的石墨烯-硅基混合集成光調制器.我們課題組在2015年在實驗上實現(xiàn)了第一個石墨烯-硅基光子晶體微腔的全光調制[42].與電調制的調制器相比,全光調制的器件工藝更為簡單,制備成本更低.而且由于器件不需要金屬電極,降低了器件的熱損耗,使得集成器件的局域溫度環(huán)境更加穩(wěn)定.圖10(a)和圖10(b)為我們實驗中所用的器件和全光調制測量系統(tǒng)示意圖,圖10(c)為器件的掃描電子顯微鏡圖.實驗中使用了一束波長為1064 nm的抽運光來調制石墨烯的費米能級,隨著抽運光功率的逐漸增加,自由載流子吸收產(chǎn)生的熱光效應使得硅的折射率發(fā)生了改變,因而微腔的共振波長發(fā)生了紅移,如圖10(d)所示.此外,微腔的Q值經(jīng)歷了先下降后上升的過程,如圖10(e)所示,這是由石墨烯的飽和吸收與硅的自由載流子吸收的競爭所導致的.當抽運光功率較弱時,隨著光功率的增強,由石墨烯產(chǎn)生的光吸收降低較慢,而由自由載流子產(chǎn)生的光吸收上升較快,因而器件的光吸收上升占據(jù)了主導作用,微腔的Q值出現(xiàn)了降低.而隨著抽運光功率的持續(xù)增大,石墨烯最終達到了飽和吸收態(tài),使得隨功率增加導致的石墨烯光吸收降低快于自由載流子吸收產(chǎn)生的光吸收上升,因而器件總的光吸收在較高的抽運光功率范圍隨抽運光強增大而降低,導致Q值升高.我們還通過對照實驗證明,在沒有石墨烯的條件下,無法實現(xiàn)對微腔共振波長和Q值同樣強度的調制.我們的全光石墨烯-硅基混合集成微腔最終實現(xiàn)了對微腔Q值20%深度的調制.然而,現(xiàn)階段石墨烯-硅基混合集成全光調制的研究仍然處于初級階段,距離其實際應用仍有許多問題需要解決,比如,如何優(yōu)化器件結構的設計和器件物理的使用,充分發(fā)揮全光調制所帶來的調制速度優(yōu)勢;如何降低調制光束所需功率,降低調制的能量消耗;以及如何進一步提高全光調制的可靠性和穩(wěn)定性等.而這些問題的解決,需要未來進一步深入器件結構對器件物理影響的研究,尋求增強器件中抽運光與石墨烯相互作用的方法,以及實現(xiàn)器件集成結構的穩(wěn)定性優(yōu)化等.

石墨烯-硅基混合集成光調制器與傳統(tǒng)的硅基光調制器相比,能夠實現(xiàn)更快的調制速度、更寬的工作帶寬和更強的調制深度.這得益于石墨烯的引入所帶來的高載流子遷移率,寬帶吸收和高電光系數(shù).石墨烯-硅基混合集成光調制器為實現(xiàn)片上廉價可大規(guī)模集成的高性能光調制器提供了新的可實用的解決方案,但現(xiàn)階段仍存在著一些問題.比如,目前實驗上所實現(xiàn)的最高速度的調制頻率與理論上所預期的500 GHz仍然相距甚遠[22].一方面,這受限于石墨烯制備的質量[3].器件制備所需的大面積石墨烯通常需要利用化學氣相沉積的方法制備,而由該方法制備的石墨烯的載流子遷移率等光電性質與理論上所能實現(xiàn)的仍有較大差距.另一方面,對石墨烯-硅基混合集成器件結構和光電物理過程仍然需要更加深入的理解[4,43].如何通過合理的器件結構設計,充分利用石墨烯中的高載流子遷移率和較快的弛豫過程,減少硅材料中較低的遷移率和較慢的弛豫過程所帶來的限制,將有助于進一步提升器件的調制速度[44].

圖10 (a)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔結構示意圖;(b)全光調制示意圖;(c)石墨烯-硅基混合光子晶體微腔掃描電子顯微鏡圖;(d)不同抽運光功率下共振波長的改變;(e)不同抽運光功率下品質因子的改變[42]Fig.10.(a)Schematic of a graphene-silicon hybrid photonic crystal microcavity;(b)schematic of alloptical modulation;(c)scanning electron microscopy image of a graphene-silicon hybrid photonic crystal microcavity;(d)shift of the resonance wavelength with different pump laser powers;(e)variation of the quality factor with different pump laser powers[42].

5 石墨烯-硅基混合集成光探測器

光探測器是光通信系統(tǒng)中對光信號進行接收和轉換的不可或缺的重要器件.在硅基平臺上實現(xiàn)高性能的光探測器仍然存在著巨大的挑戰(zhàn),這是由于硅材料在近紅外通信波段是一種很差的光電吸收材料,它在波長大于1100 nm的近紅外波段透明[6].雖然利用雙光子吸收或是引入晶格缺陷的方法能夠將吸收波長延伸至通信波段,但這大大增加了工藝的復雜程度,且制備的探測器響應度較低.使用III-V族半導體材料和鍺雖然可以提高響應度,卻仍然存在著價格昂貴和集成困難的問題.石墨烯-硅基混合集成光探測器為解決這些難題,實現(xiàn)高速高響應的光探測器提供了新的可能,這得益于石墨烯優(yōu)秀的光電特性與硅材料低損耗的完美結合.

圖11 (a)石墨烯-硅基超快光探測器顯微鏡圖[45];(b)全光通信波段石墨烯-硅基光探測器彩色掃描電子顯微鏡圖[46];(c)中紅外石墨烯-硅基異質結構光探測器掃描電子顯微鏡圖[47]Fig.11.(a)Microscopy image of an ultrafast graphenesilicon photodetector[45];(b)colored scanning electron microscopy image of a graphene-silicon photodetector covering all optical communication bands[46];(c)scanning electron microscopy image of a mid-infrared graphene-silicon heterostructure photodetector[47].

2013年,《Nature Photonics》雜志連續(xù)刊登了3篇石墨烯-硅基混合集成光探測器.哥倫比亞大學的Englund研究組[45]利用53μm長的石墨烯-硅基混合波導結構,如圖11(a)所示,實現(xiàn)了0.1 A/W響應度的光探測器,該響應度與最好的鍺材料光探測器響應度相當.如此高的響應度一方面來源于石墨烯本身的材料特性,另一方面在于器件結構的合理設計.首先,利用波導結構增強了光與石墨烯的相互作用距離,充分利用了石墨烯的光吸收;其次,設計了一對非對稱的電極來產(chǎn)生非對稱的電勢,減少光生載流子的復合,增加光生載流子的收集;此外,還對器件的高速響應的性能進行了測量,對于波長為1.55μm并受到20 GHz高速強度調制的光信號,其響應度衰減僅為1 dB,該高速響應源于石墨烯的高載流子遷移率.與此同期,維也納技術大學的Mueller研究組[46]也提出了類似的石墨烯-硅基混合波導結構的光探測器,為了增加光生載流子的收集,同樣使用了非對稱的電極設計,如圖11(b)所示,利用該24μm長的混合集成波導結構,實現(xiàn)了0.05 A/W的器件響應度.香港中文大學的Xu研究組[47]利用懸空的硅基波導和石墨烯相集成,將混合光探測器的工作光譜擴展到了中紅外波段,如圖11(c)所示.他們在2.75μm的入射波長實現(xiàn)了0.13 A/W的響應度.另外,與HgCdTe和III-V族半導體量子阱等中紅外光探測器相比,他們的中紅外探測器不需要液氮和熱電冷卻裝置,能夠在室溫工作條件下實現(xiàn)3.9×107W?1的光電流-暗電流比.

為了進一步提高石墨烯-硅基混合集成光探測器的響應度和工作帶寬,密歇根大學的Zhong研究組[48]于2014年提出了雙層石墨烯異質結構光探測器,如圖12(a)所示.該器件利用熱載流子的隧穿機制,實現(xiàn)了1 A/W的高響應度,并在室溫下實現(xiàn)了從可見光到中紅外的超寬工作帶寬.2016年,劍橋大學的Ferrari研究組[49]實現(xiàn)了具有雪崩光增益的石墨烯-硅基混合集成光探測器,如圖12(b)所示.同年,東南大學的Ni研究組[50]利用界面柵極的設計,在514 nm的響應波長,實現(xiàn)了同時滿足1000 A/W高響應度和400 ns響應時間的石墨烯-硅基混合光探測器.通過對以上研究的分析和對比可以發(fā)現(xiàn),石墨烯-硅基混合集成光探測器的響應度從最初的0.05 A/W發(fā)展到現(xiàn)在的1000 A/W,經(jīng)歷了對石墨烯材料性質和器件結構理解的逐步深入.器件結構的復雜度也隨著性能的提升有所增加,從最初的石墨烯作為簡單的光電材料與波導相集成到引入隧穿效應的雙異質結結構,再到引入雪崩效應的肖特基結構.由此可見,材料性質和器件物理的深入研究,對于有效提升器件的性能起著決定性的指導作用.

圖12 (a)石墨硅雙層異質結構光探測器示意圖[48];(b)石墨烯-硅基肖特基光探測器示意圖[49]Fig.12. (a)Schematic of a graphene double-layer heterostructure photodetector[48];(b)schematic of a graphene-silicon Schottky photodetector[49].

石墨烯-硅基混合集成光探測器的發(fā)展,為實現(xiàn)廉價且可大規(guī)模集成的片上光探測器提供了可實用的方案.近年來,石墨烯-硅基混合光探測器一直朝著具有寬光譜、高響應度、高響應速度、低暗電流、小尺寸且可在室溫工作的方向發(fā)展[49,51].現(xiàn)階段,石墨烯-硅基混合集成光探測器的研究和發(fā)展已經(jīng)較為成熟,實現(xiàn)同時具備以上所有優(yōu)點且真正可商用的石墨烯-硅基混合光探測器已成為新的研究目標.而想要真正取代現(xiàn)有通信波段的鍺材料光探測器以及中紅外的HgCdTe光探測器,仍需不斷地提升石墨烯-硅基混合光探測器的各項性能指標.而這有賴于石墨烯制備質量、器件物理和結構設計的進一步的研究和優(yōu)化.比如,通過制備高質量的石墨烯來提高現(xiàn)有的載流子遷移率;通過加深對器件物理的理解,合理設計器件結構來增加單位長度石墨烯的光吸收,以及增加光生載流子的產(chǎn)生效率和收集效率等.

6 結 論

本文簡要介紹了國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的最新進展,主要涵蓋了光源、光波導、光調制器和光探測器這四個光子集成電路中最為重要的組成部分.石墨烯-硅基的混合集成為實現(xiàn)廉價的可大規(guī)模集成的光子集成電路提供了新的解決方案,它主要解決了硅基光子集成電路在實現(xiàn)有源器件上的困難,而這得益于具有優(yōu)越光電特性的石墨烯和低損耗的硅基器件的完美結合.充分利用石墨烯的材料優(yōu)勢,實現(xiàn)更高性能的混合集成器件不僅有待于石墨烯和器件制備工藝的提升,也需要進一步理解器件結構和光電物理過程對器件性能的影響.

[1]Geim A K 2009Science324 1530

[2]Novoselov K S,Fal’ko V I,Colombo L,Gellert P R,Schwab M G,Kim K 2012Nature490 192

[3]Geim A K,Novoselov K S 2007Nat.Mater.6 183

[4]Bonaccorso F,Sun Z,Hasan T,Ferrari A C 2010Nat.Photon.4 611

[5]Bao Q L,Loh K P 2012ACS Nano6 3677

[6]Thomson D,Zilkie A,Bowers J E,Komljenovic T,Reed G T,Vivien L,Marris-Morini D,Cassan E,Virot L,Fédéli J M,Hartmann J M,Schmid J H,Xu D X,Boeuf F,O’Brien P,Mashanovich G Z,Nedeljkovic M 2016J.Opt.18 073003

[7]Li Z Y 2015EPL110 14001

[8]Wang C,Zhong X L,Li Z Y 2012Sci.Rep.2 674

[9]Jalali B,Fathpour S 2006J.Lightwave Technol.24 4600

[10]Fan L,Wang J,Varghese L T,Shen H,Niu B,Xuan Y,Weiner A M,Qi M H 2012Science335 447

[11]Roelkens G,Liu L,Liang D,Jones R,Fang A,Koch B,Bowers J 2010Laser Photon.Rev.4 751

[12]Liu M,Zhang X 2013Nat.Photon.7 851

[13]Freitag M,Chiu H Y,Steiner M,Perebeinos V,Avouris P 2010Nat.Nanotechnol.5 497

[14]Lawton L M,Mahlmeister N H,Luxmoore I J,Nash G R 2014AIP Adv.4 087139

[15]Lui C H,Mak K F,Shan J,Heinz T F 2010Phys.Rev.Lett.105 127404

[16]Kim Y D,Kim H,Cho Y,Ryoo J H,Park C H,Kim P,Kim Y S,Lee S,Li Y,Park S N,Yoo Y S,Yoon D,Dorgan V E,Pop E,Heinz T F,Hone J,Chun S H,Cheong H,Lee S W,Bae M H,Park Y D 2015Nat.Nanotechnol.10 676

[17]Shiue R J,Gao Y D,Peng C,Tan C,Efetov D K,Kim D,Home J,Englund D 2016Conference on Laser and Electro-OpticsSan Jose,United States,June 5–10,2016 paper STu4F.5

[18]Kaminer I,Katan Y T,Buljan H,Shen Y C,Ilic O,Lopez J J,Wong L J,Joannopoulos J D,Soljacic M 2016Nat.Commun.7 11880

[19]Cox J D,Marini A,de Abajo F J G 2017Nat.Commun.8 14380

[20]Yoshikawa N,Tamaya T,Tanaka K 2017Science356 736

[21]Pan D Y,Zhang J C,Li Z,Wu M H 2010Adv.Mater.22 734

[22]Liu M,Yin X B,Ulin-Avila E,Geng B S,Zentgraf T,Ju L,Wang F,Zhang X 2011Nature474 64

[23]Li H,Anugrah Y,Koester S J,Li M 2012Appl.Phys.Lett.101 111110

[24]Cheng Z Z,Tsang H K,Wang X M,Xu K,Xu J B 2014IEEE J.Sel.Top.Quant.20 4400106

[25]Liu K,Zhang J F,Xu W,Zhu Z H,Guo C C,Li X J,Qin S Q 2015Sci.Rep.5 16734

[26]Zheng J,Yu L,He S,Dai D 2015Sci.Rep.5 7987

[27]Xiao T H,Cheng Z,Goda K 2017Nanotechnology28 245201

[28]Song S C,Chen Q,Jin L,Sun F H 2013Nanoscale5 9615

[29]Liu F L,Chong Y D,Adam S,Polini M 20142D Mater.1 031001

[30]Kakenov N,Balci O,Takan T,Ozkan V A,Akan H,Kocabas C 2016ACS Photon.3 1531

[31]Hendry E,Hale P J,Moger J,Savchenko A K,Mikhailov S A 2010Phys.Rev.Lett.105 097401

[32]Wu R,Zhang Y L,Yan S C,Bian F,Wang W L,Bai X D,Lu X H,Zhao J M,Wang E G 2011Nano Lett.11 5159

[33]Avetissian H K,Mkrtchian G F 2016Phys.Rev.B94 045419

[34]Jablan M,Buljan H,Soljacic M 2009Phys.Rev.B80 245435

[35]Koppens F H L,Chang D E,de Abajo F J G 2011Nano Lett.11 3370

[36]Grigorenko A N,Polini M,Novoselov K S 2012Nat.Photon.6 749

[37]Yan S Q,Zhu X L,Frandsen L H,Xiao S S,Mortensen N A,Dong J J,Ding Y H 2017Nat.Commun.8 14411

[38]Xiao T H,Gan L,Li Z Y 2015Photon.Res.3 300

[39]Majumdar A,Kim J,Vuckovic J,Wang F 2013Nano Lett.13 515

[40]Qiu C,Gao W,Vajtai R,Ajayan P M,Kono J,Xu Q 2014Nano Lett.14 6811

[41]Ding Y,Zhu X,Xiao S,Hu H,Frandsen L H,Mortensen N A,Yvind K 2015Nano Lett.15 4393

[42]Shi Z,Gan L,Xiao T H,Guo H L,Li Z Y 2015ACS Photon.2 1513

[43]Bi W H,Wang Y Y,Fu G W,Wang X Y,Li C L 2016Acta Phys.Sin.65 047801(in Chinese)[畢衛(wèi)紅,王圓圓,付廣偉,王曉愚,李彩麗2016物理學報65 047801]

[44]Jin Q,Dong H M,Han K,Wang X F 2015Acta Phys.Sin.64 237801(in Chinese)[金芹,董海明,韓奎,王雪峰2015物理學報64 237801]

[45]Gan X T,Shiue R J,Gao Y D,Meric I,Heinz T F,Shepard K,Hone J,Assefa S,Englund D 2013Nat.Photon.7 883

[46]Pospischil A,Humer M,Furchi M M,Bachmann D,Guider R,Fromherz T,Mueller T 2013Nat.Photon.7 892

[47]Wang X M,Cheng Z Z,Xu K,Tsang H K,Xu J B 2013Nat.Photon.7 888

[48]Liu C H,Chang Y C,Norris T B,Zhong Z H 2014Nat.Nanotechnol.9 273

[49]Goykhman I,Sassi U,Desiatov B,Mazurski N,Milana S,de Fazio D,Eiden A,Khurgin J,Shappir J,Levy U,Ferrari A C 2016Nano Lett.16 3005

[50]Guo X,Wang W,Nan H,Yu Y,Jiang J,Zhao W,Li J,Zafar Z,Xiang N,Ni Z,Hu W,You Y,Ni Z 2016Optica3 1066

[51]Wang X M,Gan X T 2017Chin.Phys.B26 034203

PACS:78.67.Wj,85.30.–z,42.82.–m DOI:10.7498/aps.66.217802

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CB632704)and the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11434017).

#These authors contributed equally.

?Corresponding author.E-mail:phzyli@scut.edu.cn

Graphene-silicon hybrid photonic integrated circuits?

Xiao Ting-Hui1)#Yu Yang1)2)#Li Zhi-Yuan3)1)?

1)(Laboratory of Optical Physics,Institute of Physics,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
3)(School of Physics and Optoelectronics,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

d 27 June 2017;revised manuscript

31 July 2017)

Silicon photonics is considered as a promising technology to realize high-performance photonic integrated circuits,owing to its complementary metal oxide semiconductor-compatibility which is applicable for large-scale integration at low cost.However,due to the limitation of optoelectronic properties of silicon,the challenge to the realization of highperformance active device on the silicon integrated platform still exists.The recent development of graphene-silicon hybrid photonic integrated circuit provides a practical solution to this problem,because graphene,as a superior twodimensional material,possesses many advantageous optoelectronic properties,such as high mobility,high electro-optical coefficient,and broadband absorption,which can be fully exploited to break through the material limitation of silicon.Moreover,compared with other active integrated materials such as germanium and compound semiconductors,graphene is cost-effective and can be conveniently integrated with silicon photonic device.Here,we review some important research progress of graphene-silicon hybrid photonic integrated circuits that include optical sources,optical waveguides,optical modulators,and photodetectors.The challenges and prospects of these devices are also analyzed,which are expected to be bene fi cial to the relevant research communities.

silicon photonics,graphene photonics,integrated photonics

近年來硅基光子學已經(jīng)慢慢走向成熟,它被認為是未來取代電子集成電路,實現(xiàn)下一代更高性能的光子集成電路的關鍵技術.這得益于硅基光子器件與現(xiàn)代的互補金屬氧化物半導體工藝相兼容,能夠實現(xiàn)廉價的大規(guī)模集成.然而,由于受硅材料本身的光電特性所限,在硅基平臺上實現(xiàn)高性能的有源器件仍然存在著巨大挑戰(zhàn).石墨烯-硅基混合光子集成電路的發(fā)展為解決這一問題提供了可行的方案.這得益于石墨烯作為一種兼具高載流子遷移率、高電光系數(shù)和寬帶吸收等優(yōu)點的二維光電材料,能夠方便地與現(xiàn)有硅基器件相集成,并充分發(fā)揮自身的光電性能優(yōu)勢.本文結合我們課題組在該領域研究的一些最新成果,介紹了國際上在石墨烯-硅基混合光子集成電路上的一些重要研究進展,涵蓋了光源、光波導、光調制器和光探測器四個重要組成部分.

10.7498/aps.66.217802

?國家重點基礎研究發(fā)展計劃(批準號:2013CB632704)和國家自然科學基金(批準號:11434017)資助的課題.

#共同第一作者.

?通信作者.E-mail:phzyli@scut.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society