光纖集成光電探測器研究進展

陳偉棟,卓琳青,朱文國,鄭華丹,鐘永春,唐潔媛,,肖毅,謝夢圓,張軍,余健輝?,陳哲,?

(1暨南大學光電工程系廣東省高等院校光電信息與傳感技術(shù)重點實驗室,廣東 廣州 510632;2廣東技術(shù)師范大學電子與信息學院,廣東 廣州 510632;3暨南大學光電工程系廣東省可見光通信工程研究中心,廣東 廣州 510632;4暨南大學廣州可見光通信重點實驗室,廣東 廣州 510632)

0 引言

光纖通信系統(tǒng)是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的主要傳輸手段。隨著未來傳輸速率的不斷提高以及信息容量的日益劇增,無論是采用光時分復用(OTDM)、正交頻分復用(OFDM)還是波分復用(WDM)技術(shù),高速、多功能的光電探測器都是實現(xiàn)信號光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件,它直接決定了通信系統(tǒng)的性能。除此以外,高性能光纖傳感系統(tǒng)(如光纖陀螺儀等)光電探測模塊的精度影響著角速度輸出白噪聲的大小;而傳統(tǒng)的片上集成光電探測器面臨著晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)不匹配、硅波導制作成本較高、難以與光纖系統(tǒng)兼容等問題。在此背景下,光纖集成光電探測器(AFPD)應運而生,它不僅具有可與光纖系統(tǒng)無縫連接的天然優(yōu)勢,還能實現(xiàn)分布式光電探測和實時功率檢測等功能,并具有小尺寸、低損耗、抗電磁干擾等優(yōu)點[1?3]。但是,光纖自身的弧形表面和材質(zhì)的限制使其難以成為光纖集成光電子器件的理想集成平臺[4,5]。

自2004年石墨烯成功剝離以來,二維層狀材料因具有獨特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)而獲得蓬勃的發(fā)展。二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度(1～100 nm)上自由運動(平面運動)的材料,除了石墨烯以外,還包括過渡金屬二鹵族化合物TMDS(如MoS2、WS2等)、氮化物、氧化物、鹵化物、硫族化合物、硫代磷酸鹽。具有原子厚度、自由懸掛鍵和機械柔性的二維材料往往還具有非常優(yōu)異的光電性能,如超快的載流子遷移率、高可調(diào)的帶隙寬度等[6?10],但是少層二維材料的光吸收過弱,限制了片上波導集成二維材料光電子器件的性能。隨著光纖平臺的發(fā)展,通過將二維材料集成在微納光纖(MF)、側(cè)邊拋磨光纖(SPF)以及光纖端面(FE)中,大大增強了受原子尺度厚度限制的二維材料的光吸收,有助于設計開發(fā)新一代小型化、集成化、多功能、高性能的全光纖光子集成平臺[11?19]。

本綜述首先從光纖平臺的制作、二維材料的轉(zhuǎn)移、以及電極的制備這三個方面介紹當下AFPD主要的制備工藝;其次根據(jù)光纖平臺的不同,將目前的AFPD分成三類,即MF-AFPD、SPF-AFPD、FE-AFPD,回顧了這三類AFPD近幾年的研究進展并比較了其各自的優(yōu)缺點;最后對全光纖光子集成平臺未來的發(fā)展進行了展望。

1 光纖集成光電探測器制備工藝

AFPD的制作有三個核心步驟,分別是光纖平臺的制備、二維材料的轉(zhuǎn)移以及光纖上電極的制備。制作好的AFPD如圖1所示,右上插圖為石墨烯(Graphene)、過渡金屬二鹵族化合物(TMDC)、黑磷(BP)以及異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 二維材料集成到光纖平臺的示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2D materials integrated into optical fiber platform

1.1光纖平臺制備

根據(jù)光與物質(zhì)相互作用方式的不同,AFPD可分為沿波導方向集成和光纖端面集成兩種類型。其中,沿波導方向集成的光電探測器的主要結(jié)構(gòu)是MF和SPF。

MF作為典型微納尺度的光波導,一直是微納尺度光學研究與應用的焦點。MF的直徑通常在幾十納米到十幾微米之間,束腰區(qū)可達厘米量級,將光限制在亞波長尺度以實現(xiàn)長距離微損耗傳輸[20],圖2(b)、(c)分別描述了束腰直徑為1μm光纖的場強分布以及微納光纖的HE11模式功率分布(z方向坡印亭矢量)[22]。MF的制備主要使用拉錐法,如圖2(a),即通過熔融狀態(tài)的拉錐玻璃或聚合物等非晶體材料拉制微納光波導,這種方法制得的MF表面均勻、平整度好。具體操作步驟為:首先取適當長度的光纖,在中間位置使用剝線鉗去除涂覆層,并用棉球蘸取無水乙醇對包層裸露部分進行擦拭清潔;其次將清潔后的裸露部分放置于光纖拉錐機上,用酒精燈外焰進行加熱,光纖的一端通過適配器連接上可調(diào)諧激光器,另一端接上光纖光譜分析儀;最后通過電腦程序控制光纖拉錐機的步長、速度等參數(shù),利用光譜分析儀監(jiān)測光纖拉制過程中輸出光譜的變化,以獲得理想的MF。制備好的MF可再通過顯微鏡、臺階儀、掃描電子顯微鏡等設備進行更為精確的測量與表征[23],如圖2(d)、(e)所示。

對于SPF的研究已有40年的歷史。通過去除部分光纖包層使光纖拋磨區(qū)域的橫截面看上去呈D型,而未拋磨區(qū)域的截面仍為圓柱形。SPF為微納米結(jié)構(gòu)的集成提供了一個通用的平臺,以實現(xiàn)有效的光與物質(zhì)相互作用。為了獲得具有光滑拋磨表面的高質(zhì)量SPF,研究人員做出了不懈的努力,目前的制造方法包括V型槽輔助拋磨技術(shù)和輪式拋磨技術(shù)。如圖2(f)、(g)所示[24],V型槽輔助拋磨技術(shù)需要先在基底上刻制一個凹槽,再使用粗研磨粉對光纖進行多次拋光,最后使用幾個微米尺寸的顆粒進行精細拋光。這種方法的最大缺點是難以保證整個拋磨區(qū)域的拋磨深度一致,難以制作出長尺寸的側(cè)邊拋磨區(qū)域;此外,該方法的成本高、耗時長,難以大規(guī)模生產(chǎn)。而輪式拋磨技術(shù)由于其操作簡單、成本低、耗時短、側(cè)邊拋磨區(qū)域長度深度可控等優(yōu)點,成為當下制作側(cè)邊拋磨光纖的主流方法,具有廣泛的應用需求和科研價值。具體操作步驟如下:將剝離涂覆層并用無水乙醇擦拭后的光纖通過兩邊夾具固定懸掛在電機驅(qū)動拋磨輪上方,然后將Paroline油作為潤滑劑滴在拋磨輪的紗紙上,通過調(diào)整拋磨輪的尺寸、位置、轉(zhuǎn)速來控制拋磨區(qū)域的長度,通過在線實時監(jiān)測光纖輸出端光功率來估計拋磨深度[25,26]。圖2(h)、(i)分別為輪式拋磨系統(tǒng)示意圖及沿整個拋磨區(qū)域測量側(cè)邊拋磨光纖的剩余厚度,插圖顯示了側(cè)邊拋磨光纖的橫截面,其中“d”和“D”分別是剩余的包層和光纖厚度[27]。

圖2 (a)拉錐法制備微納光纖示意圖[21];(b)束腰直徑1μm光纖的場強分布;(c)微納光纖的HE11模式功率分布(z方向坡印亭矢量)[22];(d),(e)拉錐法制得微納光纖的形態(tài)表征[23];(f)V型槽輔助拋磨技術(shù)分步制造工藝[24];(g)嵌入石英塊中光纖的橫截面及側(cè)視示意圖[24];(h)輪式拋磨系統(tǒng)示意圖[27];(i)沿整個拋磨區(qū)域測量側(cè)邊拋磨光纖的剩余厚度[27]Fig.2(a)Schematic diagram of MF prepared by tapering method[21];(b)Field intensity distribution of a fiber with a beam waist diameter of 1μm;(c)HE11 mode power distribution of micro-nano fiber(z-direction Poyinting vector)[22];(d),(e)Morphological characterization of MF obtained by tapering method[23];(f)Step-by-step manufacturing process of V-groove assisted polishing technology[24];(g)Schematic diagram of the cross section view and side view of the optical fiber embedded in the quartz block[24];(h)Schematic diagram of the wheel polishing system[27];(i)Measuring the remaining thickness of the side polished fiber along the entire polished area[27]

暨南大學微納光電子信息團隊自主研發(fā)了一種帶有顯微成像系統(tǒng)的全自動輪式側(cè)邊拋磨設備,如圖3(a)所示。利用該設備制得的SPF粗糙度為±25 nm,且拋磨深度可控,精度為0.1μm。圖3(b)～(d)為利用該設備制得的SPF形貌表征。目前該設備已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化批量生產(chǎn),為SPF的批量生產(chǎn)奠定了基礎。

圖3 (a)暨南大學自主研制的輪式側(cè)邊拋磨設備;(b)～(d)利用該設備制得側(cè)邊拋磨光纖的拋磨區(qū)光學顯微鏡圖像、剩余厚度與拋磨區(qū)長度關(guān)系、橫截面SEM圖像Fig.3(a)Wheeled side polishing equipment independently developed by Jinan University;(b)～(d)The optical microscope images of the polishing area,the relationship between the remaining thickness and the length of polishing area,and the cross-sectional SEM image of the side-polished optical fiber made by the equipment

1.2二維材料轉(zhuǎn)移

二維材料的轉(zhuǎn)移主要分為干法轉(zhuǎn)移和濕法轉(zhuǎn)移兩種。如圖4(a),干法轉(zhuǎn)移是將機械剝離的二維材料放置于熱釋放膠帶或者PDMS上方,通過顯微鏡和轉(zhuǎn)移平臺將材料精確地定位至指定位置,利用加熱裝置使膠帶或者PDMS與材料之間的粘性消失,從而使材料脫落至目標襯底[28]。該方法一般不會引入化學污染,最大程度地保證了所轉(zhuǎn)移二維材料的質(zhì)量,但難以獲得大面積、厚度均勻的二維材料。濕法轉(zhuǎn)移以石墨烯為例,如圖4(b),先將銅基單層石墨烯放入制備的氯化鐵溶液中2 h,以去除銅基;再用去離子水沖洗無銅石墨烯以去除殘余物,之后再用光纖緩慢撈取漂浮在去離子水中的純凈石墨烯薄膜,放入干燥箱中干燥1 h,從而完成石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移[29],這種方法可以制備大面積、均勻性高的二維材料,但是面臨轉(zhuǎn)移工藝復雜、易引入雜質(zhì)等問題。

圖4 (a)PDMS干法轉(zhuǎn)移二維材料流程圖[28];(b)GP-SPR光纖傳感器的制作工藝,其中步驟④為石墨烯的濕法轉(zhuǎn)移[29]Fig.4(a)Flow chart of dry transfer of two-dimensional materials by PDMS[28];(b)Fabrication process of GP-SPR optical fiber sensor,where step④is the wet transfer of graphene[29]

1.3光纖上電極的制備

光纖上電極的制備主要包括干法轉(zhuǎn)移及物理氣相沉積法(PVD)兩種。其中干法轉(zhuǎn)移在1.2節(jié)已經(jīng)介紹過,這里主要介紹PVD法制備電極。具體來說,PVD法可分為真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍等,但都必須實現(xiàn)氣相沉積三個環(huán)節(jié),即鍍料(靶材)氣化、氣相輸運、沉積成膜。具體鍍膜步驟如下:1)準備鍍膜樣品,根據(jù)實際需要的金電極的形狀和尺寸定制相應的掩模版,并用高溫膠帶固定在潔凈的待鍍樣品上,再將待鍍樣品固定在工件盤上方;2)開啟鍍膜機的電源和水冷系統(tǒng);3)打開鍍膜機的箱體,清潔箱體內(nèi)部和擋板;4)將工件盤倒置在工件盤卡槽里,確保待鍍膜面朝下;5)蒸發(fā)裝置為鎢舟,清潔鎢舟并放入適量蒸發(fā)源材料(如高純度的金等),關(guān)閉箱體;6)將箱體抽至高真空狀態(tài),即箱體內(nèi)氣壓達到4.9×10?3Pa;7)開啟阻蒸電源并逐漸增加阻蒸電流,蒸發(fā)電流為400 A,直到金絲完全融化而開始蒸發(fā),透過箱體的觀察窗口可以看見此時鎢舟上的金絲呈現(xiàn)熔融狀態(tài)并發(fā)出紅光,待金蒸發(fā)速率穩(wěn)定后打開遮住鎢舟的擋板,使金蒸汽可以蒸鍍在樣品上,起始鍍膜速率應小于0.02 nm/s以保證金附著牢固,金膜的厚度可以根據(jù)膜厚儀進行監(jiān)測,當金膜厚度達到50 nm后關(guān)閉擋板并復位阻蒸電流;8)待箱體溫度降至30°C后,即可打開箱體取出工件盤;9)為了保證箱體清潔與干燥,還需將箱門關(guān)閉并將箱體抽至低真空狀態(tài),待分子泵停止運轉(zhuǎn)后即可關(guān)閉鍍膜機電源、水冷和風冷系統(tǒng);10)將掩模版小心拆下即可得到鍍好電極的樣品,并將其放入潔凈的容器內(nèi)保存。圖5為暨南大學使用的E6080型真空鍍膜機實物圖。

圖5 E6080型箱式真空鍍膜機實物圖Fig.5 Physical picture of the E6080 box vacuum coating machine

2 光纖集成光電探測器研究進展

MF、SPF、FE為AFPD提供了平臺,主要通過延長光與物質(zhì)作用的長度提升二維材料的光吸收強度;而二維材料的快速發(fā)展又極大地提升了AFPD的性能。此處根據(jù)AFPD平臺的不同將其分為三類,分別是MF-AFPD、SPF-AFPD、FE-AFPD,將回顧這三種AFPD近幾年的研究進展,并對其各自的優(yōu)缺點進行總結(jié)。

2.1微納光纖集成二維材料的光電探測器

由于MF的倏逝場可以很好地與周邊環(huán)境相互作用,制成的MF-AFPD有望在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)較強的光電流響應。基于這一點,2015年上海交通大學的Sun等[30]率先研究報道了結(jié)合石墨烯和MF的光電子探測器。石墨烯薄膜在兩個電極之上,MF置于石墨烯薄膜上,如圖6(a)。器件對1550 nm波長的響應度在1 V偏壓下最高為2.81 mA/W,同時實驗表明光電子探測器件可以在1500～1600 nm波長范圍內(nèi)工作,圖6(b)顯示了器件在光照和黑暗條件下的I?V曲線。

圖6 (a)微納光纖集成石墨烯的光纖光電探測器示意圖;(b)器件在光照和黑暗條件下的I?V曲線[30]Fig.6(a)Schematic diagram of the fiber photodetector of micro-nano fiber integrated with graphene;(b)I?V curves of the device under light and dark conditions[30]

對于亞波長的MF,大的倏逝場能使其與接觸的2D材料發(fā)生強相互作用,已有的報道表明相互作用長度小于100μm的MF-WS2足以實現(xiàn)大于95%的光吸收。但是,從技術(shù)層面來說,亞微米直徑的MF封裝并非易事,它在周圍環(huán)境中非常容易受到損壞或污染。

2.2側(cè)邊拋磨光纖集成二維材料的光電探測器

SPF為材料和電極的集成提供了一個通用平臺,毫米級的拋磨區(qū)極大程度地延長了光與物質(zhì)的相互作用長度,過渡區(qū)提供了激發(fā)SPF高階模式和強倏逝場的有效方法,有助于實現(xiàn)高性能的光電子器件。因此,研究人員在SPF上開展了基于集成二維材料的光電探測器的研究,實現(xiàn)了高靈敏的光纖集成光電探測器和高性能的多功能器件。

2020年,暨南大學Dong等[31]首次展示了一種在CSPF(無芯側(cè)邊拋磨光纖)上集成石墨烯/PMMA混合膜的全光纖光電器件(GP-CSPF),在波長為1540 nm、偏壓為3 V時,響應度可達0.44 A/W;同年,暨南大學Zhu等[32]在SPF上集成了一種石墨烯/PMMA薄膜,電極設計成叉指型以增強寬帶區(qū)域的光吸收,在1520 nm波長下該光電探測器的響應度可達5.7×104A/W;基于此,暨南大學Zhuo等[33]對薄膜進行了改進,在石墨烯/PMMA薄膜上沉積了碳納米管,制作了一種全新的光纖集成光電探測器(AFIP),該器件在入射光波長為650～1610 nm的區(qū)間均有高響應度,其中波長為1550 nm處器件的響應度高達1.48×105A/W,波長為1310～1620 nm時,響應速度為75～85 ms;2020年,暨南大學Zhuo等[34]設計了一種在SPF上集成了石墨烯/PB/PMMA薄膜的光纖集成光電探測器(AFGD),PB層有效地防止了石墨烯中的費米能級變化,并減少了PMMA小分子殘留物的帶電雜質(zhì)散射,該器件作為光電探測器而言,在980～1610 nm的寬帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了超高光響應,其中在1550 nm處響應度可達1.5×107A/W,響應速度為93 ms,有趣的是,該器件同時還可作為相位調(diào)制器;2022年,暨南大學Zhuo等[35]在SPF上設計了一種集成石墨烯/MoS2/PMMA薄膜的多功能器件(PPID),金膜和石墨烯/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強了光吸收,提高了響應度,有助于實現(xiàn)起偏和偏振靈敏的光電檢測,在1550 nm處PPID的響應度為2.2×105A/W,響應速度為57.3 ms,光電流偏振比為0.686,偏振效率為3.9 dB/mm。表1總結(jié)了上述SPF-AFPD的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。

表1 不同SPF-AFPD的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)比較Table 1 Structure and main parameter comparison of different SPF-OFPD

SPF毫米級長度的平坦區(qū)為二維材料和電極的集成提供了一個通用平臺,極大程度地彌補了光纖本身弧形結(jié)構(gòu)的缺陷。但是基于SPF的器件對平坦區(qū)的粗糙度要求較高,粗糙度會影響材料和電極與光纖平臺的貼合程度,從而影響材料的質(zhì)量和載流子的傳輸。

2.3光纖端面集成二維材料的光電探測器

光纖端面除了本身機械強度高之外,還具有較低的插入損耗和操縱自由空間光的能力,也可實現(xiàn)遠程自對準光路。當二維材料集成在光纖端面時,獨特的原子厚度獨立式膜片有望實現(xiàn)超靈敏的全光纖微機電系統(tǒng),可作為光網(wǎng)絡的新型集成即插即用組件。在這里主要介紹了近幾年FE-AFPD的研究進展,主要研究單位包括暨南大學與南京大學。

2017年,南京大學Chen等[36]將少層MoS2轉(zhuǎn)移到光纖端面,成功制造了一種FE-AFPD,在400 nm波長下,偏壓為4 V時,該器件的響應度為0.6 A/W,響應速度為7.1 s;同年,為了提升此類型光電探測器的響應度,Chen等[37]將CsPbBr3與石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖端面上,制作了一種超靈敏的AFPD,器件在400 nm下響應度可達2×104A/W;2019年,南京大學Xiong等[38]在光纖端面上集成了一個多層石墨烯/MoS2/WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜,器件在400 nm波長下響應度為6.6×107A/W,響應速度可達7 ms,由于MoS2/WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的II型交錯帶排列,MoS2和WS2之間的層間光學躍遷使器件能夠感應紅外光,在光波長為1550 nm時具有17.1 A/W的響應度;2021年,暨南大學Liu等[39]將BSCCO集成到光纖端面,制作了一個FE-AFPD,在1550 nm下,響應速度為170 ms,響應度為0.34 A/W;2021年,暨南大學Yang等[40]將石墨烯/PdSe2異質(zhì)結(jié)組裝到光纖端面上,制作了一個FE-AFPD,并創(chuàng)新性地在異質(zhì)結(jié)上覆蓋了一層金膜用作反射鏡,該光電探測器具有650～1550 nm的寬帶光響應,最大響應度為6.68×104A/W,最快響應速度為660μs;2022年,南京大學Xiong等[41]通過在單個光纖端面上集成圖案化單層石墨烯光電探測器陣列展示了一種超緊湊的七芯光纖復用光電探測器,在1550 nm下響應速度為66μs,響應度為35.4μA/W;2022年,南京大學Xiong等[42]在光纖端面堆疊了Bi2Se3/b-Bp/t-Bp的異質(zhì)結(jié),實現(xiàn)了一種FE-OFPD,在1550 nm下其響應速度為800 ns,歸一化探測率為2.91×108Jones,此外該器件對LP或CP光的偏振狀態(tài)也具有檢測能力。表2對上述不同F(xiàn)E-AFPD的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)進行了比較。但是,與前面提到的兩種類型的光電探測器相比,FE-AFPD會受到光與物質(zhì)相互作用距離短和傳感面積小的限制,需要另外設計新的結(jié)構(gòu)來彌補這方面的缺陷。

表2 不同F(xiàn)E-AFPD的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)比較Table 2 Structure and main parameter comparison of different FE-AFPD

綜上,AFPD的響應度普遍能達到105A/W,而傳統(tǒng)的片上集成光電探測器的響應度大多為幾十mA/W[43?48],如表3所示。這體現(xiàn)了AFPD在光電轉(zhuǎn)換效率方面的巨大優(yōu)勢。

表3 不同片上集成光電探測器的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)比較Table 3 Comparison of structure and main parameters of different on-chip integrated photodetectors

Continued

3 總結(jié)與展望

首先闡述了AFPD在光纖通信中的優(yōu)勢,即可與光纖系統(tǒng)無縫連接、能實現(xiàn)分布式多點光電探測和原位在線功率檢測等;其次介紹了制備AFPD的關(guān)鍵步驟,包括光纖平臺的制備(MF、SPF)、二維材料的轉(zhuǎn)移以及光纖上電極的制備;最后介紹了AFPD的最新研究進展,包括結(jié)構(gòu)的設計與改良、響應度與響應速度等參數(shù)的比較。

總而言之,三種類型的AFPD各有優(yōu)勢與缺陷。MF-AFPD具有較長的光與物質(zhì)相互作用距離,因結(jié)構(gòu)脆弱而需要良好的封裝進行保護;SPF-AFPD中獨特的平坦區(qū)彌補了光纖本身弧形結(jié)構(gòu)的缺陷,便于平面微納加工以及材料的集成;FE-AFPD具有較小的器件體積和較低的插入損耗,同時保持了耦合和操縱自由空間光的能力,但會受到光與物質(zhì)相互作用距離短和傳感面積小的限制。除此之外,就制造工藝而言,AFPD與傳統(tǒng)的片上光電探測器相比仍有許多技術(shù)問題亟待解決,例如目前的光纖平臺缺乏復雜的微納制造技術(shù),對二維材料傳輸性能的處理不夠多樣化等[49?54]。

在當前AFPD的發(fā)展基礎上,未來首先要致力于開發(fā)與多種光纖(如多模光纖、保偏光纖、色散光纖等)集成具有新型功能的、能將光信息完整轉(zhuǎn)換到電信息的功能系統(tǒng),使系統(tǒng)小型化;其次是將多種功能集成于一個光電器件,特別是一個器件具有在線同時實現(xiàn)多種光電功能的能力;除此之外,目前AFPD的響應機制主要分為基于光生載流子的探測、溝道電導率變化的探測、熱效應的探測等,將不同機制的優(yōu)勢結(jié)合在同一個器件上也是未來研究AFPD的一個重點;最后要繼續(xù)探索能與光纖相互兼容且性質(zhì)更加豐富的新型材料[55?57],并提高不同材料之間組裝的工藝、設計更高性能的架構(gòu)方式[58?61]。