单通道与多通道高速数据传输波导集成石墨烯-等离激元光电探测器

研究背景

　　数据中心与高性能计算正面临日益严峻的带宽瓶颈,机架间/机架内高效通信、光学共封装与共集成的趋势,尤其是AI驱动数据中心对集成密度、带宽与能效的爆发式需求,都亟需快速而紧凑的光电探测器。

　　石墨烯被视为下一代光电子学的理想材料:其超快载流子动力学(高迁移率、饱和速度与弛豫机制)可实现传统半导体(如Ge、InGaAs)难以企及的高工作速率;狄拉克锥能带结构带来宽带吸收,适配多个通信窗口;此外还具备低成本生长、可大规模集成、并能与光子平台直接共集成等制造优势。然而,数据通信应用不仅要求高带宽,还需在宽动态范围内保持线性并输出足够信号,即需要高响应度。此前石墨烯光电探测器(GPD)虽已实现较高数据速率,但仍落后于成熟的商用探测器技术,且其共集成与规模化潜力研究不足——已有工作多局限于两通道偏振复用、四探测器相干或四通道波分复用等有限阵列。

成果简介

　　近期，苏黎世联邦理工学院Juerg Leuthold教授与Daniel Rieben 博士研究生。团队提出一种谐振式锯齿形等离激元增强的波导集成石墨烯光电探测器:通过等离激元谐振器增强石墨烯中的光-物质相互作用并促进光生载流子抽取,器件在L波段实现155 GHz的3 dB带宽与超过200 mA/W的响应度。作为独立探测器,采用强度调制/直接检测直接接收强度调制信号,单通道线速率达192 Gbit/s。为验证平台的可扩展性,团队进一步将8个此类探测器与低串扰硅光1×8阵列波导光栅共集成,构成波分复用接收机,聚合线速率达816 Gbit/s。这是迄今报道的最快的波导耦合等离激元石墨烯光电探测器,为面向高性能计算与AI基础设施的高密度、大容量光互连开辟了新途径。

图文导读

　　图2 等离激元增强型石墨烯光电探测器的器件结构。(A) 器件三维艺术示意图,展示输入硅光波导、位于沟道中央作为信号电极的等离激元谐振器,以及两侧接地电极。(B) 器件层叠结构截面示意及表征电路:石墨烯上覆盖150 nm氧化铝,其上沉积金层作为静电栅极。(C) 光电探测器顶视示意图。(D) 钝化与顶栅沉积前所制备器件的伪彩色扫描电镜图;最佳器件沟道长度与宽度分别为3.4 μm和330 nm,谐振器长度与宽度设计值分别为236 nm和60 nm。器件基于绝缘体上硅(SOI)平台、采用商用单层化学气相沉积(CVD)石墨烯制备。

　　图3 等离激元增强型GPD的工作原理。(A) 器件顶视图中仿真得到的电场分布,谐振器周围可见明显的场增强。(B) 石墨烯吸收率随波长与谐振器长度的变化;236 nm谐振器在1550 nm处吸收峰值达79.5%,并可通过调节谐振器长度将吸收峰调至O、E、S、C、L等不同通信波段。(C) 沿(A)中所示截面的面内电场强度仿真,吸收主要局域在等离激元谐振器处。(D) 沿截面的电势变化示意;金质信号线与银质接地线形成p-n接触掺杂,配合局域吸收有望实现零偏置工作。

　　图4 等离激元增强型GPD的性能。(A) 器件与待测参数的简化示意,采用电谱分析仪(ESA)测量射频功率。(B) 电流-电压特性(VG = −10 V),呈现清晰欧姆特性。(C) 电阻-栅压特性,器件电阻介于120–160 Ω,狄拉克点位于<−40 V,表明石墨烯为n型掺杂。(D) 3 GHz调制下归一化射频功率随偏压与栅压的变化(以0 V/0 V为参考);最佳零偏置响应出现在VG = −24 V处,而在VB = 0.5 V、VG = −40 V偏置下响应可再提高1.8倍。(E) 直流光电流随入射光功率线性变化,光电流最高达380 μA,对应响应度68 mA/W。(F) 扣除光栅耦合器影响后的响应度-波长关系,长波长L波段响应度提升约3倍(1625 nm处达204 mA/W)。(G) 归一化射频功率随频率的变化,3 dB带宽达155 GHz,随后以20 dB/dec滚降,符合一阶RC特性而非探测器本征限制。

　　图5 单通道数据传输实验。(A) 装置示意:可调谐激光源经等离激元调制器调制1550 nm载波,信号经掺铒光纤放大器(EDFA)放大、偏振控制后由光栅耦合器耦入硅波导,GPD输出射频信号经110 GHz实时示波器采集并离线数字信号处理(151抽头前馈均衡)。(B)192 Gbit/s2-PAM与(C) 4-PAM传输的眼图,归一化广义互信息(NGMI)分别为0.86和0.83,均超过0.81的软判决前向纠错门限。

　　图6 八波长复用光电探测器实验。(A) 阵列波导光栅(AWG)波长解复用器与8个GPD集成的光学显微图,插图为单个PD的扫描电镜图。(B) 各通道(复用器臂+光电探测器)的频率响应,平均3 dB带宽约60 GHz,受AWG通带限制。(C) 扣除复用器影响后的光电探测器频率响应,带宽超过110 GHz。(D) 各通道数据传输的眼图及关键指标(线速率、误码率BER、NGMI),8通道各为96或112 Gbit/s,求和得到816 Gbit/s的聚合线速率。

总结展望

　　研究团队仿真、制备并表征了一种波导集成、等离激元增强的石墨烯光电探测器,实现155 GHz带宽与L波段超过200 mA/W(C波段68 mA/W)的响应度;在强度调制/直接检测传输实验中,2-PAM与4-PAM均达到192 Gbit/s线速率。通过将低串扰1×8阵列波导光栅与8个此类探测器共集成,进一步实现816 Gbit/s的聚合线速率,展示了该方案的可扩展性。据作者所知,这是迄今最快的波导耦合等离激元石墨烯光电探测器。通过进一步优化制造工艺,响应度与带宽仍有提升空间——器件概念有望实现大于200 mA/W的响应度并突破200 GHz带宽,从而支持更高数据速率。该工作为高性能石墨烯光电子学的可扩展、可集成应用及多波长、大容量系统迈出了关键一步。

来源：低维昂维