石墨烯补韫獾缱悠骷研究进展

饶岚　李灯熬　王任凡　罗彪

摘要本文综述了石墨烯硅光电子器件的研究进展.随着科技的发展，人们对信息容量、传输速度、处理速度、能耗及成本提出了更高的要求.基于石墨烯特有的光学特性和电学特性，自发现以来备受关注.近年来，随着低成本、高速和高密度集成的硅基光电子技术的蓬勃发展，石墨烯硅基光电子器件的研究迅速地成为了研究的热点，并取得了突破性进展.石墨烯硅基光电子器件相比于传统的硅基光电子器件具有低功耗、温漂小、大带宽、带隙可控等优势.本文从调制器、探测器、偏振控制器等几个方面详细介绍了石墨烯硅基光电子器件的发展现状.

关键词石墨烯；光调制器；光电探测器；光电子器件；光互联

中图分类号O436

文献标志码A

0引言

随着“互联网+”的发展，人们对信息容量、处理速度、传输速率、能耗及成本提出了更高的要求.结合硅基微电子高密度集成、工艺成熟、价格低廉和光电子的带宽高、传输快和抗干扰等优势的硅基光电子学成为了业界普遍认可的最有潜力的方案之一.20世纪80年代，Soref等[13]首先开展了硅基光电子器件的研究.近年来，国内外硅基光电子器件与集成取得了突破性进展.2002年加州大学洛杉矶分校的Jalali课题组首次提出了基于拉曼效应实现硅基激光器和光放大器[4]，2004年该课题组首次实现了硅基拉曼激光器[5]，2005年实现了可调硅基拉曼激光器[6].2004年，Intel公司在《Nature》杂志上报道了调制带宽超过1 GHz的硅基调制器[7]；2007年硅基光调制器的3 dB调制带宽提高到了30 GHz[8]，达到了商业ⅢⅤ族和铌酸锂外调制器的水平.同年，美国Luxtera公司展示了第一块基于130 nm CMOS制作工艺的单片集成超高速CMOS光子收发模块，传输速率为40 Gb/s[9].2012年，IBM基于90 nm CMOS 集成納米光子技术，第一次真正意义上实现了单片光电集成的25 Gb/s WDM光通信系统[10].近年来，IBM公司[11]、IMEC公司[12]、加州大学伯克利分校[13]、中国科学院半导体研究所[1416]、北京大学[17]等单位多方面对硅基光电子器件开展了研究，均获得了突破性进展.

石墨烯作为一种二维原子晶体薄膜材料，具有卓越的电子、热和光学特性，自被发现以来，石墨烯器件的研究迅速地成为了研究热点.2007年Geim等[18]曾指出石墨烯作为一种全新的材料，将突破硅材料的限制成为未来的发展方向，也是光电子领域中未来发展方向之一.与硅相比，石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率，与传统的半导体材料相比，石墨烯具有很高的光学损伤阈值和非线性系数，且温度不敏感.石墨烯独特的光学特性[19]，如具有线性色散，可以在很宽的频率范围内实现光吸收，可被应用于很大的带宽范围内，如可调微波[20]、太赫兹[21]和光子器件[19].石墨烯在狄拉克点的载流子态密度很低，因而可以通过很低的电压来调节费米能级[18]，实现低功耗.石墨烯只有一个原子层的厚度，单层石墨烯能在从太赫兹到可见光频段这样一个很宽的光谱范围内与光波进行有效的相互作用，因而，石墨烯自2004年被发现以来迅速成为了光电子学领域的研究热点.近几年，由于石墨烯的特殊光学性质，石墨烯基光电子器件也取得了一定的成果.2009年，

美国IBM公司的Xia等[22]利用石墨烯实现了40 GHz的超快的光探测，仿真研究结果表明石墨烯探测器的本征带宽可高达500 GHz.2009年，Bao等[23]报道了基于石墨烯饱和吸收体的超快脉冲激光器，在通信波段中，基于锁模激光器结构产生了756 fs的超短光孤子脉冲.2011年，Liu等[24]首次制备出了基于石墨烯的超宽带光调制器，在135～16 μm范围内实现1 GHz光调制，证明了石墨烯光调制器的宽带调制可行性.2012年，Chen等[25]和Fei等[26]分别在《Nature》杂志上报道了石墨烯表面等离子体激元的发现，进一步促进了石墨烯光电器件的发展.基于石墨烯内部结构特征，石墨烯硅基光电子器件与CMOS工艺相兼容，易于实现器件的集成.2012年，Bao等[27]首次提出了基于石墨烯的宽带光通信系统回路芯片的设想，将石墨烯光子器件集成到硅基平台上，实现了高速宽带的光调制、放大和探测.

近年来，石墨烯与多种材料相结合，被广泛应用于光电子器件、表面等离子体、光伏和显示器件中.由于石墨烯与硅基光电子器件的CMOS工艺相兼容，因而石墨烯硅混合光电器件也是石墨烯研究的一个重要研究分支.本文将回顾近年来石墨烯硅基光电子器件的发展现状，重点介绍调制器、探测器的发展，对其他方面，如偏振控制器、相移器等方面也进行了简单的回顾.

1调制器

光调制器是将信号加载到光上，从而改变光信号特征的一种器件.调制器的调制带宽和调制速率是衡量调制器性能的重要指标.基于石墨烯特有的能带结构，在通信波段，通过对石墨烯费米能级的调节可以实现光调制.2011年美国加州大学伯克利分校Liu等[24]首次证明了基于石墨烯的波导集成光调制器可行性，实现了石墨烯硅光调制的突破.研究小组将化学气相沉积法生长的单层石墨烯转移到硅基条形波导上，结构示意如图1所示（图1a为器件的三维结构示意，图1b为有限元仿真的截面光场）.测试结果表明，石墨烯调制器能在135～16 μm超宽带范围内实现光调制.

2012年，Koester等[28]研究了双层石墨烯光调制器，其中下层的石墨烯被作为可调的吸收体，上层石墨烯作为一个透明的电极，两层石墨烯之间采用绝缘层进行隔离.设计的波导结构如图2所示.仿真研究结果表明，在155 μm附近的3 dB调制带宽超过120 GHz，但是调制深度仅仅为005 dB/μm.

2012年Liu 等[29]首次在实验室进行了双层石墨烯调制实验.双层石墨烯调制器的结构和制作过程如图3所示.图3a和3b分别为器件的结构截面示意和三维示意.图3c—3f为双层石墨烯器件的制作过程.实验中的双层石墨烯调制器，采用商用的SOI wafer，在宽400 nm、高340 nm硅基波导上制作了双层石墨烯，双层石墨烯填充了一个氧化层Al2O3.首先通过原子层沉积技术在硅波导上镀有一层5 nm厚的Al2O3用以隔离载流子；然后转移下层石墨烯，采用Ebeam的方法刻蚀出有源区图形；在刻蚀后的石墨烯上用沉积法生长一层12 nm高介电常数材料Al2O3；再用机械的方法转移上层的石墨烯，并用Ebeam刻蚀出与下层一致的有源区图形.实验结果表明，双层结构能有效地提高石墨烯和光的相互作用.石墨烯硅基调制器具有较高的调制深度，可以达到016 dB/μm.

虽然双层石墨烯能有效地提高石墨烯硅调制器的调制深度，但为了进一步提高石墨烯与光的相互作用，2011年韩国三星尖端技术研究所的Kim等[30]提出了双能层石墨烯脊型波导结构石墨烯光调制器（如图4a所以）和双层石墨烯掩埋结构的石墨烯光调制器（如图4b所示）.两种调制器所采用的双层石墨烯，其中间采用7 nm厚的hBN作为填充.将双层石墨烯置于硅基光波导的中间，仿真结果表明，采用双层石墨烯结构能在保证调制速率的前提下，有效地提高石墨烯与光的相互作用.

2014年Mohsin等[31]实现了插损为33 dB的石墨烯硅电吸收调制器，其在1 550 nm附近的调制深度可以达到16 dB，结构示意如图5所示.器件的两端采用了锥形的光栅耦合方式，大大地提高了光的耦合效率.调制器在条宽520 nm、高220 nm的SOI光波导上加入了双层石墨烯，实现了电吸收调制器，其性能超过了当时的GeSi调制器和以前石墨烯基的吸收调制器，且可以和MZ结构调制器持平.

2014年电子科技大学的Ye等[32]将四层石墨烯嵌入到基于SOI波导中实现条形光调制器，进一步提高了石墨烯和光的相互作用.如图6所示，该设计的特别之处在于，四层石墨烯不是均匀分布的，而是采用了两个GOG（GrapheneonGraphene）结构，其中GOG结构是由两层石墨烯与三层介质先组成，其结构设计如图6b所示.将石墨烯设计为电极，从而减少了金属石墨烯接触电阻的50%.仿真研究结果表明，为了使得光耦合效率最高，需要对每一层GOG的位置进行优化.通过优化后，电吸收光调制器的有

源区长度仅仅为5 μm，就可以实现消光比34 dB、调制带宽100 GHz、功耗176 bit/s，且该调制器偏振不敏感.硅基微环调制器和硅基马赫曾德调制器结构中，引入二维材料石墨烯，也可以实现器件性能的提升.近年来，基于石墨烯辅助型硅基微环调制器，人们开展了广泛的研究，结构如图7所示.2012年Midrio等[33]首先将石墨烯应用于环形结构调制器中，设计了石墨烯辅助型硅基微环光调制器.在硅基微环顶层部分中加入了双层石墨烯（图7a），其中插图为波导结构.理论模拟仿真结果表明，石墨烯硅基微环结构的调制器具有超低的工作电压（低于12 V）和超低的功耗（每比特调制开关的功率在几飞焦（fJ）量级），是实现低功耗光调制的一种有效的方法.2014年浙江大学Du等[34]提出了一种石墨烯嵌入式的微环光调制器，将夹在双层Al2O3的石墨烯置于宽400 nm、高200 nm的硅基光波导中（如图7b，插图为波导结构）.模拟结果表明，嵌入式的石墨烯硅基环形调制器具有很强的谐振峰值波长调谐能力，可以实现108 nm/V，且调制器的工作带宽高达149 GHz，消光比2213 dB.此外还具有一定的抗温漂能力.

另外，将石墨烯引入到传统硅基马赫曾德调制器中，可以有效地减小调制器的偏置电压和减小器件的尺寸.2013年浙江大学Yang等[35]研究了石墨烯硅基马赫曾德光调制器.通过对波导结构的优化，实现了低啁啾、高消光比的石墨烯硅光调制器.在外加电压的情况下，石墨烯有效折射率的变化可达005，可以实现无啁啾的MZ调制，且调制电压仅为1 V，消光比可达347 dB，最小啁啾参数为-0006，插入损耗约为-137 dB，该器件的结构如图8所示.在上述研究的基础上，浙江大学Hao等[36]和Du等[37]分别对石墨烯硅基MZ调制器进行了进一步的优化.优化结果表明，多层石墨烯结构能有效地提高波导结构电致折射率.Hao等[36]提出将8层石墨烯嵌入到波导中，调制效率为20 V·μm，消光比为35 dB，且器件的尺寸为4 μm×30 μm.因此石墨烯嵌入式MZ调制器是实现超密度集的有效方案之一.Du等[37]采用4层石墨烯掩埋型光波导结构，臂长为165 μm的ZM调制器，实现低能耗（8 fJ/bit）、高消光比（318 dB）以及低的工作电压（<1 V），而且当工作在1 520～1 580 nm波长范围内，温度从300～400 K变化时，调制性能仍然保持稳定.

除了上述采用多层石墨烯结构改善调制器性能以外，国内外研究机构还对基于石墨烯的其他结构和机理方面进行有益的探索.2014年，浙江大学Yang等[38]提出了只有15 nm的超紧凑、低功耗的电光调制器（图9），通过FDTD仿真模拟，结果表明在3 dB消光比条件下调制电压为08 V，插入损耗约为-027 dB，器件的尺寸只有001 μm2.

2015年康奈尔大学的Phare等[39]首次展示了一种基于量子Zeno效应的超快石墨烯电光调制器，平衡了速度和效率的对立关系，通过将石墨烯集成到低温等离子体增强化学沉积方法（低温PECVD氮化硅）氮化硅环形谐振腔上.器件的设计如图10所示.波导设计为1 μm宽、300 nm厚，来实现TE模的1 550 nm单模传输.采用了双层的石墨烯，中间间隔为ALD Al.硅材料具有导电能力，而氮化硅是不导电的，因而，该器件小信号RF带宽为30 GHz.当进一步改进其接触电阻时，器件的速率有望达到150 GHz.

2015年Das等[40]提出了一种等离子体加强的电光调制器结构（如图11所示）.将石墨烯作为调谐等离子体来调整光场和ITO等离子结构之间相互耦合的强弱，从而有效地提高电吸收效率.

在石墨烯硅基光调制器的集成方面，IMEC（微电子研究中心）进行了深入的研究.2012年，Bao等[27]首次提出了基于石墨烯的宽带光通信系统回路芯片的设想，将石墨烯光子器件集成到硅基平台上，实现了高速宽带的光调制、放大和探测.2014年，IMEC的Hu等[41]首次在实验室展示了10 Gb/s的集成型石墨烯硅电光调制器，在1 550 nm波段该调制器调制带宽可达80 nm，且性能可以与当时性能最好的锗硅调制器媲美，从而展现出其在未来芯片级光互聯中的应用前景.2016年Hu等[42]理论分析和实验展示了10 Gb/s的石墨烯硅电吸收调制器.该调制器的结构框图如图12所示.实验所用器件及测试结果如图13和图14所示.实验结果表明，在1 580 nm处有最低的插入损耗38 dB，最低的驱动电压仅为25 V，在50 μm长的混合石墨烯硅基器件上实现了温度的不敏感.理论分析与实验结果有较好的一致性，从而可以看出石墨烯硅基调制器具有良好的发展前景.

石墨烯硅光调制器还被应用于相位调制.2017年成都电子科技大学的Ye等[43]实现了石墨烯硅波导高速光相位调制器.他们将中间带有介质层的双层石墨烯嵌入到硅基波导中，来加强硅基波导与光的相互作用，采用石墨烯叉状结构，使得波导中的TE模的折射率变化具有更大的准线性动态范围，从而成为理想的相位调制器结构.器件的结构如图15所示.基于上述结构，在756 μm长的石墨烯硅波导结构中可以实现相位π的变化.仿真结果表明，光相位调制的3 dB带宽可以高达1195 GHz，而功耗仅仅为0452 pJ/bit.

2探测器

石墨烯硅波導光电器件的一个重要应用领域是光探测器.由于石墨烯具有超快的载流子迁移率、零带隙以及超宽的吸收谱，因而，当光入射到石墨烯后转换成电流时具有很宽的光谱带宽和快速响应时间.石墨烯在超快光探测领域[44]也是一种具有吸引力的材料.2004年Novoselov等[45]首次提出了基于石墨烯的光电探测器.Freitag等[46]讨论了石墨烯光电探测器的光电流产生的主要机制：光生电流、热辐射效应以及光热电效应.光生电效应需要有器件的内建电场，与不同工作机理的金属接触，多栅感应电位；或者是空间不均匀的内掺杂.热辐射效应，主要工作在偏压器件中，产生等电磁场辐射增加了器件的局部温度导致电阻的变化，从而使直流电流变化.另一方面，光热电效应，是由于两种不同材料的赛贝克系数不同，使得光照射时在界面处产生温度梯度.当分析这些光电流器件时，热电效应比热辐射效应和光生电流效应要小一个数量级.从这个角度来看，在非偏压石墨烯探测器中的电流是光生电效应占主导地位，而在有偏压的光电探测器中，热辐射效应和光生电流效应同时存在.下面阐述石墨烯硅光探测器的研究进展.

2009年IBM公司的Xia等[47]首次利用石墨烯实现了光探测，器件的SEM照片如图16a所示，器件中石墨烯的通道620 nm宽、145 μm长.当光照射到pn结时，光响应度为 0001 A/W，电流的最小栅偏压为30 V.随后，Xia等[22]又提出了超快石墨烯探测器，实验证明石墨烯FET探测器在1 550 nm附近可以实现高达40 GHz的强度探测，基于石墨烯FET的探测器的本征带宽可高达500 GHz，器件的SEM照片如图16b所示.

在光通信中用石墨烯作为探测器，最早的工作团队之一Mueller等首先展示了基于石墨烯的光电探测器具有超宽的响应带宽（514～2 400 nm）.但是由于受到器件的RC时间常数的限制，在1 550 nm附近的频率响应带宽为16 GHz，器件的外分子效率为61 mA/W.器件采用非对称的金属电极，由于这些电极的掺杂水平不同，从而使得器件在不同偏压条件下产生的电流进行相加，导致光电流加强.2010年IBM公司的Mueller等[48]首次将石墨烯光探测器在155 μm波段10 Gb/s的光数据链路中，实现了无误码传输，同时还在其他波段也实现了光探测.虽然前期的研究中，石墨烯光探测器具有很好的光响应速度，但是响应效率相对较低.如图17所示的探测器采用了双层石墨烯，探测器有源区面积为6 μm×6 μm.采用非对称的金属结构来破坏传统石墨烯FET中的内建电场的镜像对称，产生更加高效的光探测.在155 μm附近，最大的外光子响应度为61 mA/W，比传统结构的响应度提高了15倍.

针对提高石墨烯光探测器的灵敏度还提出了很多方法.一种是加入了等离子纳米结构.2011年Echtermeyer等[49]用金/钛等离子纳米结构合并到光电探测器的电接触，可以将入射光转换为等离子共振态，增加器件的效率从而提高了器件的响应度.如图18所示，采用等离子纳米结构后，相比于与未采用这种结构的光电探测器效率提高了20倍.实验结果表明，该器件的响应度在514 nm时可为11 mA/W.

由于单层石墨烯的吸收效率仅仅为23%，为提高光吸收效率，Furchi等[50]提出了微腔集成石墨烯光电探测器.该探测器在FP微腔中集成了单层石墨烯，将光吸收效率提高了26倍，使得光吸收大于60%，从而使得微腔光探测器在865 nm的响应度为21 mA/W，微腔结构的光探测器的结构如图19所示.

另一种加强光电响应的方法是采用集成波导结构.石墨烯被放到了波导到的cladding区域，在几何结构中，类似于一个波导集成电吸收调制器，如图20所示.Pospischil等[51]研制了硅波导集成石墨烯光探测器.该器件结构类似于Liu等[29]所提出的光调制器，只是电极的安排不同，如图20a所示.另外，该器件的提出，有利于实现探测器和调制器的集成，为片上光互联提供了一种有效的技术方案，研究结果表明在1 550 nm波段响应度为50 mA/W，18 GHz的频率响应以及工作的波长从1 310～1 650 nm.Gan等[52]采用波导集成石墨烯探测器（图20b），可以实现高的响应度、高速和宽的带宽.研究结果表明，其在1 450～1 590 nm范围内有近似一致的响应度，且超过100 mA/W.在零偏压情况下，器件的响应速度超过20 GHz.近期的Schall等[53]研制的基于脊形硅基波导的石墨烯光电探测器在1 550 nm附近能实现响应度7 mA/W，频率响应带宽高达41 GHz.

到目前为止，基于石墨烯双层的异质结结构光电探测器获得了最大1 A/W响应度.该器件的双层石墨烯被隧道结分开，如图22所示.在光照条件下，在上层光激发的热载流子能够隧穿到下一层，导致在栅极上产生电荷分布，很强的光栅极效应与通道的电导率导致了很大的响应度[55].

3其他石墨烯硅基光电器件

除了在石墨烯硅探测器和调制器进行了深入研究外，石墨烯硅还被应用于相移器、非线性光信号处理等多方面，下面对这些方面进行简要的阐述.

2010年新加坡南洋理工大学的Xing等[56]从实验和理论模型中分析了石墨烯的超快饱和光吸收.研究结果表明，石墨烯作为饱和吸收体具有低饱和密度、可控的饱和深度、超快的恢复时间以及高的阈值.石墨烯还被用来作为相移器[5759].早期，Xu等[57]通过改变MZ干涉仪中石墨烯的电导率来实现相位调制.最近，越来越多对基于环形结构的相移器进行了研究.Capmany等[58]设计了石墨烯硅基可调宽带微波光子相移器，其结构如图23所示.它采用双环谐振腔结构以便在谐振峰附近获得更加敏锐的相移特性.器件工作波长在1 550 nm，设计腔长为250 μm，其自由谱范围为100 GHz.石墨烯硅基波导的横截面如图23b所示，在硅基波导上覆盖了单层石墨烯，并用介质材料Al2O3作为隔离.图23c为不同RF信号的相位偏移（调制2pi）随石墨烯的化学电势的变化曲线的模拟结果.基于石墨烯硅基双微环的微波相移器具有40 GHz的调谐带宽，除此以外，还具有快速可重构（在10～50 GHz范围内RF频率可以实现360°的相位偏移）和低的电压偏移（实现360°相位偏移所需电压012 V）等优势. Capmany等[58]是假定0 ℃的情况下进行的模拟研究，后来Midrio等[59]指出，由于温度相关性，实现360°的相位偏移所需要的电压小于1 V是可能的.

2011年Bao等[60]研究了基于光纖的偏振控制器，实现消光比27 dB，与传统的金属薄膜不同，石墨烯偏振器能支持横向电磁模的表面波传输.2013年香港中文大学Cheng等[61]实验中发现将石墨烯直接放置在硅基波导上可以引入偏振相关损耗，在150 μm长的波导上对TM模式引入了77 dB的损耗.因而，石墨烯硅波导适用于制作集成偏振控制器.2013年日本NTT公司的Kou等[62]研究了将单层石墨烯转移到硅基波导后对波导中TE模和TM模的影响.测试原理、实验装置框图及结果如图24所示，实验中测试了单层石墨烯硅基波导对TM和TE模的吸收.被测试的波导的宽度为15 μm，长度分别为25、5、10、20、30、50、80和200 μm，研究结果表明对于TE模和TM模的吸收系数分别为009和005 dB/μm（图24c）.2015年浙江大学Hao团队[63]基于MZ原理，利用器件对TE模和TM模有效折射率变化的不同设计出了基于石墨烯的起偏器.

在非线性方面，2012年哥伦比亚大学的Gu等[64]首次发现了石墨烯硅光电子器件中3个特征：1）超低功率共振光学双稳态；2）自诱导再生震荡；3）相干四波混频，因而可以实现飞焦量级的非线性器件的设计.在硅光子集成方面，2014年Naiini等[65]介绍了一种通过嵌入CVD石墨烯到掺杂的高K波导到沟槽中的新光电探测器结构，该结构与光子集成电路的后端处理相兼容，且在40 μm长的探测器在15 V偏压的情况下响应度为36 mA/W，从而证明了其在硅基光电子集成芯片中的可行性.2015年 Lazaro等[66]提出了在光子网络芯片中采用石墨烯硅环谐振腔来实现波长路由的方案，指出在未来的光子网络片上将石墨烯集成到硅基光波导中的环形谐振腔结构中，可以实现宽谱、结构紧凑和高速硅基波长路由和滤波.

4总结

高速、高带宽、低能耗集成芯片是未来的发展方向.由于石墨烯与传统的CMOS制作工艺相兼容，因而石墨烯与传统的硅基光电子器件相结合，可以有效地提高硅基光电子器件的综合性能，实现更高速率、更大带宽、更低功耗以及更高的集成度.同时，由于石墨烯独有的光学特性和电学特性，基于石墨烯的集成光子回路可以实现超宽带器件的设计，响应波长范围有望在300 nm～6 μm.除此以外，石墨烯硅基混合波导还被应用于微波光子系统以及太赫兹器件中.基于石墨烯硅波导材料的三阶非线性效应，混合二维石墨烯硅纳米光子器件在下一代芯片级高速光通信、RF光电子器件和全光信号处理中应用广泛.石墨烯硅波导在相同的设计结构中，能同时作为调制器和探测器，使得石墨烯光电子器件向多功能器件的发展成为可能，将在未来的光通信、光互联以及高性能计算等领域产生积极影响.

参考文献

References

[1]Soref R，Lorenzo J P.Singlecrystal silicon：A new material for 13 and 16 μm integratedoptical components[J].Electronics Letters，1985，21：953954

[2]Soref R，Bennett B R.Electrooptical effects in silicon[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1987，23（1）：123129

[3]Soref R，Lorenzo J.Allsilicon active and passive guidedwave components for λ=13 and 16 μm[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1986，22（6）：873879

[4]Claps R，Dimitropoulos D，Han Y，et al.Observation of Raman emission in silicon waveguides at 154 μm[J].Optics Express，2002，10（22）：13051313

[5]Boyraz O，Jalali B.Demonstration of a silicon Raman laser[J].Optics Express，2004，12（21）：52695273

[6]Boyraz O，Jalali B.Demonstration of directly modulated silicon Raman laser[J].Optics Express，2005，13（3）：796800

[7]Liu A，Jones R，Liao L，et al.A highspeed silicon optical modulator based on a metaloxidesemiconductor capacitor[J].Nature，2004，427（6975）：615618

[8]Liao L，Liu A，Rubin D，et al.40 Gbit/s silicon optical modulator for highspeed applications[J].Electronics Letters，2007，43（22）：5152

[9]Narasimha A，Analui B，Liang Y，et al.A fully integrated 4×10 Gb/s DWDM optoelectronic transceiver implemented in a standard 013 m CMOS SOI technology[J].IEEE Journal of SolidState Circuits，2007，42（12）：27362744

[10]Assafa S，Shank S，Green W，et al.A 90 nm CMOS integrated nanophotonics technology for 25 Gb/s WDM optical communications applications[C]∥Proceedings of Electron Devices Meeting，2012，48（11）：33813383

[11]Dangel R，Hofrichter J，Horst F，et al.Polymer waveguides for electrooptical integration in data centers and highperformance computers[J].Optics Express，2015，23（4）：47364750

[12]Absil P P，Verheyen P，Heyn P D，et al.Silicon photonics integrated circuits：a manufacturing platform for high density，low power optical I/O/s[J].Optics Express，2015，23（7）：9369

[13]Ferrara J，Yang W，Zhu L，et al.Heterogeneously integrated longwavelength VCSEL using silicon high contrast grating on an SOI substrate[J].Optics Express，2015，23（3）：25122523

[14]Xiao X，Xu H，Li X，et al.Highspeed，lowloss silicon MachZehnder modulators with doping optimization[J].Optics Express，2013，21（4）：41164125

[15]Xue C L，Xue H，Cheng B，et al.1×4 GeonSOI PIN photodetector array for parallel optical interconnects[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（24）：56875689

[16]Li C，Xue C L，Liu Z，et al.Sixteenelement GeonSOI PIN photodetector arrays for parallel optical interconnects[J].Chinese Physics B，2014，23（3）：038507

[17]Li T T，Wang D，Zhang J L，et al.Demonstration of 625 Gbaud advanced modulation formats with subcarrier multiplexed technique on silicon MachZehnder modulator[J].Optics Express，2014，22（16）：1981819823

[18]Geim A K，Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nat Mater，2007，6：183191

[19]Bonnacorso F，Sun Z，Hasan T，et al.Graphene photonicsand optoelectronics[J].Nat Photon，2010，4：611622

[20]Zheng Z，Zhao C，Lu S，et al.Microwave and optical saturable absorption in graphene[J].Optics Express，2012，20（21）：2320123214

[21]SensaleRodriguez B，Yan R，Liu L，et al.Graphenefor reconfigurable THz optoelectronics[J].Proceedings of the IEEE，2013，107（7）：17051716

[22]Xia F，Mueller T，Lin Y M，et al.Ultrafast graphene photodetector[J].Nature Nanotechnology，2009，4（12）：839843

[23]Bao Q，Zhang H，Wang Y，et al.Atomiclayer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed lasers[J].Advanced Functional Materials，2009，19（19）：30773083

[24]Liu M，Yin X B，UlinAvila E，et al.A graphenebased broadband optical modulator[J].Nature，2011，474（7349）：6467

[25]Chen J，Badioli M，AlonsoGonzlez P，et al.Optical nanoimaging of gatetunable graphene plasmons[J].Nature，2012，487（7405）：7781

[26]Fei Z，Rodin A S，Andreev G O，et al.Gatetuning of graphene plasmons revealed by infrared nanoimaging[J].Nature，2012，487（7405）：8285

[27]Bao Q，Loh K P.Graphene photonics，plasmonics，and broadband optoelectronic devices[J].ACS Nano，2012，6（5）：36773694

[28]Koester S J，Li M.Highspeed waveguidecoupled grapheneongraphene optical modulators[J].Applied Physics Letters，2012，100（17）：171107

[29]Liu M，Yin X B，Zhang X.Doublelayer graphene optical modulator[J].Nano Letters，2012，12（3）：14821485

[30]Kim K，Choi J Y，Kim T et al.A role for graphene in siliconbased semiconductor devices[J].Nature，2011，479（7373）：338344

[31]Mohsin M，Schall D，Otto M，et al.Graphene based low insertion loss electroabsorption modulator on SOI waveguide[J].Optics Express，2014，22（12）：1529215297

[32]Ye S，Wang Z，Tang L，et al.Electroabsorption optical modulator using dualgrapheneongraphene configuration[J].Optics Express，2014，22（21）：2617326180

[33]Midrio M，Boscolo S，Moresco M.Grapheneassisted criticallycoupled optical ring modulator[J].Optics Express，2012，20（21）：2314423155

[34]Du W，Li E P，Hao R.Tunability analysis of a grapheneembedded ring modulator[J].IEEE Photonics Technology Letters，2014，26（20）：20082011

[35]Yang L Z，Hu T，Hao R，et al.Lowchirp highextinctionratio modulator based on graphenesilicon waveguide[J].Optics Letters，2013，38（14）：25122515

[36]Hao R，Jin J M，Li E P.Ultracompact grapheneembedded optical phase modulators[J].Applied Physics Letters，2013，3（6）：061116

[37]Du W，Hao R，Li E P.The study of fewlayer graphene based MachZehnder modulator[J].Optics Communications，2014，323（15）：4953

[38]Yang L Z，Hu T，Shen A，et al.Ultracompact optical modulator based on graphenesilica metamaterial[J].Optics Letters，2014，39（7）：19091912

[39]Phare C T，Lee Y H D，Cardenas J，et al.30 GHz Zenobased graphene electrooptic modulator[C]∥Conference on Lasers and ElectroOptics，2015，DOI：101364/CLEOSI.2015.SW4I.4

[40]Das S，Salandrino A，Wu J Z，et al.Nearinfrared electrooptic modulator based on plasmonic graphene[J].Optics Letters，2015，40（7）：15161519

[41]Hu Y T，Pantouvaki M，Brems S，et al.Broadband 10 Gb/s graphene electroabsorption modulator on silicon for chiplevel optical interconnects[C]∥IEEE International Electron Devices Meeting，2014：561564

[42]Hu Y T，Pantouvaki M，Campenhout J，et al.Broadband 10 Gb/s operation of graphene electroabsorption modulator on silicon[J].Laser & Photonics Reviews，2016，10（2）：307316

[43]Ye S W，Yuan F，Zou X H，et al.Highspeed optical phase modulator based on graphenesilicon waveguide[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2017，23（1）：15

[44]Liu M，Zhang X.Silicon photonics：Graphene benefits[J].Nature Photon，2013，7（11）：851852

[45]Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science，2004，306（5696）：666669

[46]Freitag M，Low T，Xia F N，et al.Photoconductivity of biased graphene[J].Nature Photonics，2012，7（1）：5359

[47]Xia F N，Mueller T，GolizadehMojarad R，et al.Photocurrent imaging and efficient photon detection in a graphene transistor[J].Nano Letters，2009，9（3）：10391044

[48]Mueller T，Xia F N，Avouris P.Graphene photodetectors for highspeed optical communications[J].Nature Photonics，2010，4（5）：297301

[49]Echtermeyer T J，Britnell L，Jasnos P K，et al.Strong plasmonic enhancement of photovoltage in graphene[J].Nature Communications，2011，2（1）：458

[50]Furchi M，Urich A，Pospischil A，et al.Microcavityintegrated graphene photodetector[J].Nano Letters，2012，12（6）：27732777

[51]Pospischil A，Humer M，Furchi M，et al.CMOScompatible graphene photodetector covering all optical communication bands[J].Nature Photonics，2013，7（11）：892896

[52]Gan X，Shiue R J，Gao Y，et al.Chipintegrated ultrafast graphene photodetector with high responsivity[J].Nature Photonics，2013，7（11）：883887

[53]Schall D，Neumaier D，Mohsin M，et al.50 Gbit/s photodetectors based on waferscale graphene for integrated silicon photonic communication systems[J].Acs Photonics，2014，1（9）：781784

[54]Zhang Y Z，Liu T，Meng B，et al.Broadband high photoresponse from pure monolayer graphene photodetector[J].Nature Communications，2013，4（6）：691720

[55]Liu C H，Chang Y C，Norris T B，et al.Graphene photodetectors with ultrabroadband and high responsivity at room temperature[J].Nature Nanotechnology，2014，9（4）：273278

[56]Xing G C，Guo H C，Zhang X H，et al.The Physics of ultrafast saturable absorption in graphene[J].Optics Express，2010，18（5）：45644572

[57]Xu C，Jin Y C，Yang L Z，et al.Characteristics of electrorefractive modulating based on grapheneoxidesilicon waveguide[J].Optics Express，2012，20（20）：2239822405

[58]Capmany J，Domenech D，Munoz P.Silicon graphene waveguide tunable broadband microwave photonics phase shifter[J].Optics Express，2014，22（7）：80948100

[59]Midrio M，Galli P M.Romagnoli，et al.Graphenebased optical phase modulation of waveguide transverse electricmodes[J].Photonics Research，2014，2（3）：A34A40

[60]Bao Q L，Zhang H，Wang B.Broadband graphene polarizer[J].Nature Photonics，2011，5（7）：411415

[61]Cheng Z Z，Tsang H K，Wang X M，et al.Polarization dependent loss of grapheneonsilicon waveguides[C]∥International Photonics Conference，2013：460461

[62]Kou R，Tanabe S，Tsuchizawa T，et al.Characterization of optical absorption and polarization dependence of singlelayer graphene integrated on a silicon wire waveguide[J].Japanese Journal of Applied Physics，2013，52（6）：060203

[63]Hao R，Du W，Li E P，et al.Graphene assisted TE/TMindependent polarizer based on MachZehnder interferometer[J].IEEE Photonic Technology Letters，2015，27（10）：11121115

[64]Gu T，Petrone N，McMillan J F.Regenerative oscillation and fourwave mixing in graphene optoelectronics[J].Nature Photonics，2012，6（8）：554559

[65]Naiini M M，Vaziri S，Smith A D，et al.Embedded graphene photodetectors for silicon photonics[C]∥72nd Annual Device Research Conference，2014：4344

[66]Lazaro J A，Gonzalez J，Altabas J A，et al.Graphene silicon ring resonators for wavelength routers in photonic networkonchip[C]∥17th International Conference on Transparent Optical Networks，2015，DOI：101109/ICTON.20157193731

AbstractThe progress of graphenesilicon optoelectronic devices is reviewed.With the development of science and technology，the demand on aspects of information capacity，transmission speed，processing speed，energy consumption and production cost is growing quickly.In recent years，lowcost，highspeed and highdensity integrated siliconbased optoelectronic technology has been booming.Soon after its discovery，graphene has attracted much attention for its marvelous optical and electrical properties.Recently，the research of graphenesilicon based optoelectronic devices has rapidly become a research hotspot，and has made a breakthrough.Compared with traditional siliconbased optoelectronic devices，graphenesiliconbased optoelectronic devices have many advantages such as low power consumption，small temperature drift，large bandwidth and controllable bandgap.The present work is a review of the development of graphenesiliconbased optoelectronic devices including optical modulator，photodetector，polarization controller and so on.

Key wordsgraphene；optical modulator；photodetector；optoelectronics devices；optical interconnection