光纤集成光电探测器研究进展

陈伟栋,卓琳青,朱文国,郑华丹,钟永春,唐洁媛,,肖毅,谢梦圆,张军,余健辉∗,陈哲,∗

(1暨南大学光电工程系广东省高等院校光电信息与传感技术重点实验室,广东 广州 510632;2广东技术师范大学电子与信息学院,广东 广州 510632;3暨南大学光电工程系广东省可见光通信工程研究中心,广东 广州 510632;4暨南大学广州可见光通信重点实验室,广东 广州 510632)

0 引言

光纤通信系统是现代通信网络的主要传输手段。随着未来传输速率的不断提高以及信息容量的日益剧增,无论是采用光时分复用(OTDM)、正交频分复用(OFDM)还是波分复用(WDM)技术,高速、多功能的光电探测器都是实现信号光电转换的关键器件,它直接决定了通信系统的性能。除此以外,高性能光纤传感系统(如光纤陀螺仪等)光电探测模块的精度影响着角速度输出白噪声的大小;而传统的片上集成光电探测器面临着晶格常数和热膨胀系数不匹配、硅波导制作成本较高、难以与光纤系统兼容等问题。在此背景下,光纤集成光电探测器(AFPD)应运而生,它不仅具有可与光纤系统无缝连接的天然优势,还能实现分布式光电探测和实时功率检测等功能,并具有小尺寸、低损耗、抗电磁干扰等优点[1−3]。但是,光纤自身的弧形表面和材质的限制使其难以成为光纤集成光电子器件的理想集成平台[4,5]。

自2004年石墨烯成功剥离以来,二维层状材料因具有独特的结构和物理性质而获得蓬勃的发展。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1∼100 nm)上自由运动(平面运动)的材料,除了石墨烯以外,还包括过渡金属二卤族化合物TMDS(如MoS2、WS2等)、氮化物、氧化物、卤化物、硫族化合物、硫代磷酸盐。具有原子厚度、自由悬挂键和机械柔性的二维材料往往还具有非常优异的光电性能,如超快的载流子迁移率、高可调的带隙宽度等[6−10],但是少层二维材料的光吸收过弱,限制了片上波导集成二维材料光电子器件的性能。随着光纤平台的发展,通过将二维材料集成在微纳光纤(MF)、侧边抛磨光纤(SPF)以及光纤端面(FE)中,大大增强了受原子尺度厚度限制的二维材料的光吸收,有助于设计开发新一代小型化、集成化、多功能、高性能的全光纤光子集成平台[11−19]。

本综述首先从光纤平台的制作、二维材料的转移、以及电极的制备这三个方面介绍当下AFPD主要的制备工艺;其次根据光纤平台的不同,将目前的AFPD分成三类,即MF-AFPD、SPF-AFPD、FE-AFPD,回顾了这三类AFPD近几年的研究进展并比较了其各自的优缺点;最后对全光纤光子集成平台未来的发展进行了展望。

1 光纤集成光电探测器制备工艺

AFPD的制作有三个核心步骤,分别是光纤平台的制备、二维材料的转移以及光纤上电极的制备。制作好的AFPD如图1所示,右上插图为石墨烯(Graphene)、过渡金属二卤族化合物(TMDC)、黑磷(BP)以及异质结的晶体结构。

图1 二维材料集成到光纤平台的示意图Fig.1 Schematic diagram of 2D materials integrated into optical fiber platform

1.1光纤平台制备

根据光与物质相互作用方式的不同,AFPD可分为沿波导方向集成和光纤端面集成两种类型。其中,沿波导方向集成的光电探测器的主要结构是MF和SPF。

MF作为典型微纳尺度的光波导,一直是微纳尺度光学研究与应用的焦点。MF的直径通常在几十纳米到十几微米之间,束腰区可达厘米量级,将光限制在亚波长尺度以实现长距离微损耗传输[20],图2(b)、(c)分别描述了束腰直径为1µm光纤的场强分布以及微纳光纤的HE11模式功率分布(z方向坡印亭矢量)[22]。MF的制备主要使用拉锥法,如图2(a),即通过熔融状态的拉锥玻璃或聚合物等非晶体材料拉制微纳光波导,这种方法制得的MF表面均匀、平整度好。具体操作步骤为:首先取适当长度的光纤,在中间位置使用剥线钳去除涂覆层,并用棉球蘸取无水乙醇对包层裸露部分进行擦拭清洁;其次将清洁后的裸露部分放置于光纤拉锥机上,用酒精灯外焰进行加热,光纤的一端通过适配器连接上可调谐激光器,另一端接上光纤光谱分析仪;最后通过电脑程序控制光纤拉锥机的步长、速度等参数,利用光谱分析仪监测光纤拉制过程中输出光谱的变化,以获得理想的MF。制备好的MF可再通过显微镜、台阶仪、扫描电子显微镜等设备进行更为精确的测量与表征[23],如图2(d)、(e)所示。

对于SPF的研究已有40年的历史。通过去除部分光纤包层使光纤抛磨区域的横截面看上去呈D型,而未抛磨区域的截面仍为圆柱形。SPF为微纳米结构的集成提供了一个通用的平台,以实现有效的光与物质相互作用。为了获得具有光滑抛磨表面的高质量SPF,研究人员做出了不懈的努力,目前的制造方法包括V型槽辅助抛磨技术和轮式抛磨技术。如图2(f)、(g)所示[24],V型槽辅助抛磨技术需要先在基底上刻制一个凹槽,再使用粗研磨粉对光纤进行多次抛光,最后使用几个微米尺寸的颗粒进行精细抛光。这种方法的最大缺点是难以保证整个抛磨区域的抛磨深度一致,难以制作出长尺寸的侧边抛磨区域;此外,该方法的成本高、耗时长,难以大规模生产。而轮式抛磨技术由于其操作简单、成本低、耗时短、侧边抛磨区域长度深度可控等优点,成为当下制作侧边抛磨光纤的主流方法,具有广泛的应用需求和科研价值。具体操作步骤如下:将剥离涂覆层并用无水乙醇擦拭后的光纤通过两边夹具固定悬挂在电机驱动抛磨轮上方,然后将Paroline油作为润滑剂滴在抛磨轮的纱纸上,通过调整抛磨轮的尺寸、位置、转速来控制抛磨区域的长度,通过在线实时监测光纤输出端光功率来估计抛磨深度[25,26]。图2(h)、(i)分别为轮式抛磨系统示意图及沿整个抛磨区域测量侧边抛磨光纤的剩余厚度,插图显示了侧边抛磨光纤的横截面,其中“d”和“D”分别是剩余的包层和光纤厚度[27]。

图2 (a)拉锥法制备微纳光纤示意图[21];(b)束腰直径1µm光纤的场强分布;(c)微纳光纤的HE11模式功率分布(z方向坡印亭矢量)[22];(d),(e)拉锥法制得微纳光纤的形态表征[23];(f)V型槽辅助抛磨技术分步制造工艺[24];(g)嵌入石英块中光纤的横截面及侧视示意图[24];(h)轮式抛磨系统示意图[27];(i)沿整个抛磨区域测量侧边抛磨光纤的剩余厚度[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]

暨南大学微纳光电子信息团队自主研发了一种带有显微成像系统的全自动轮式侧边抛磨设备,如图3(a)所示。利用该设备制得的SPF粗糙度为±25 nm,且抛磨深度可控,精度为0.1µm。图3(b)∼(d)为利用该设备制得的SPF形貌表征。目前该设备已经实现了商业化批量生产,为SPF的批量生产奠定了基础。

图3 (a)暨南大学自主研制的轮式侧边抛磨设备;(b)∼(d)利用该设备制得侧边抛磨光纤的抛磨区光学显微镜图像、剩余厚度与抛磨区长度关系、横截面SEM图像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

1.2二维材料转移

二维材料的转移主要分为干法转移和湿法转移两种。如图4(a),干法转移是将机械剥离的二维材料放置于热释放胶带或者PDMS上方,通过显微镜和转移平台将材料精确地定位至指定位置,利用加热装置使胶带或者PDMS与材料之间的粘性消失,从而使材料脱落至目标衬底[28]。该方法一般不会引入化学污染,最大程度地保证了所转移二维材料的质量,但难以获得大面积、厚度均匀的二维材料。湿法转移以石墨烯为例,如图4(b),先将铜基单层石墨烯放入制备的氯化铁溶液中2 h,以去除铜基;再用去离子水冲洗无铜石墨烯以去除残余物,之后再用光纤缓慢捞取漂浮在去离子水中的纯净石墨烯薄膜,放入干燥箱中干燥1 h,从而完成石墨烯的湿法转移[29],这种方法可以制备大面积、均匀性高的二维材料,但是面临转移工艺复杂、易引入杂质等问题。

图4 (a)PDMS干法转移二维材料流程图[28];(b)GP-SPR光纤传感器的制作工艺,其中步骤④为石墨烯的湿法转移[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光纤上电极的制备

光纤上电极的制备主要包括干法转移及物理气相沉积法(PVD)两种。其中干法转移在1.2节已经介绍过,这里主要介绍PVD法制备电极。具体来说,PVD法可分为真空蒸镀、溅射镀、离子镀等,但都必须实现气相沉积三个环节,即镀料(靶材)气化、气相输运、沉积成膜。具体镀膜步骤如下:1)准备镀膜样品,根据实际需要的金电极的形状和尺寸定制相应的掩模版,并用高温胶带固定在洁净的待镀样品上,再将待镀样品固定在工件盘上方;2)开启镀膜机的电源和水冷系统;3)打开镀膜机的箱体,清洁箱体内部和挡板;4)将工件盘倒置在工件盘卡槽里,确保待镀膜面朝下;5)蒸发装置为钨舟,清洁钨舟并放入适量蒸发源材料(如高纯度的金等),关闭箱体;6)将箱体抽至高真空状态,即箱体内气压达到4.9×10−3Pa;7)开启阻蒸电源并逐渐增加阻蒸电流,蒸发电流为400 A,直到金丝完全融化而开始蒸发,透过箱体的观察窗口可以看见此时钨舟上的金丝呈现熔融状态并发出红光,待金蒸发速率稳定后打开遮住钨舟的挡板,使金蒸汽可以蒸镀在样品上,起始镀膜速率应小于0.02 nm/s以保证金附着牢固,金膜的厚度可以根据膜厚仪进行监测,当金膜厚度达到50 nm后关闭挡板并复位阻蒸电流;8)待箱体温度降至30°C后,即可打开箱体取出工件盘;9)为了保证箱体清洁与干燥,还需将箱门关闭并将箱体抽至低真空状态,待分子泵停止运转后即可关闭镀膜机电源、水冷和风冷系统;10)将掩模版小心拆下即可得到镀好电极的样品,并将其放入洁净的容器内保存。图5为暨南大学使用的E6080型真空镀膜机实物图。

图5 E6080型箱式真空镀膜机实物图Fig.5 Physical picture of the E6080 box vacuum coating machine

2 光纤集成光电探测器研究进展

MF、SPF、FE为AFPD提供了平台,主要通过延长光与物质作用的长度提升二维材料的光吸收强度;而二维材料的快速发展又极大地提升了AFPD的性能。此处根据AFPD平台的不同将其分为三类,分别是MF-AFPD、SPF-AFPD、FE-AFPD,将回顾这三种AFPD近几年的研究进展,并对其各自的优缺点进行总结。

2.1微纳光纤集成二维材料的光电探测器

由于MF的倏逝场可以很好地与周边环境相互作用,制成的MF-AFPD有望在较宽的频带内实现较强的光电流响应。基于这一点,2015年上海交通大学的Sun等[30]率先研究报道了结合石墨烯和MF的光电子探测器。石墨烯薄膜在两个电极之上,MF置于石墨烯薄膜上,如图6(a)。器件对1550 nm波长的响应度在1 V偏压下最高为2.81 mA/W,同时实验表明光电子探测器件可以在1500∼1600 nm波长范围内工作,图6(b)显示了器件在光照和黑暗条件下的I−V曲线。

图6 (a)微纳光纤集成石墨烯的光纤光电探测器示意图;(b)器件在光照和黑暗条件下的I−V曲线[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]

对于亚波长的MF,大的倏逝场能使其与接触的2D材料发生强相互作用,已有的报道表明相互作用长度小于100µm的MF-WS2足以实现大于95%的光吸收。但是,从技术层面来说,亚微米直径的MF封装并非易事,它在周围环境中非常容易受到损坏或污染。

2.2侧边抛磨光纤集成二维材料的光电探测器

SPF为材料和电极的集成提供了一个通用平台,毫米级的抛磨区极大程度地延长了光与物质的相互作用长度,过渡区提供了激发SPF高阶模式和强倏逝场的有效方法,有助于实现高性能的光电子器件。因此,研究人员在SPF上开展了基于集成二维材料的光电探测器的研究,实现了高灵敏的光纤集成光电探测器和高性能的多功能器件。

2020年,暨南大学Dong等[31]首次展示了一种在CSPF(无芯侧边抛磨光纤)上集成石墨烯/PMMA混合膜的全光纤光电器件(GP-CSPF),在波长为1540 nm、偏压为3 V时,响应度可达0.44 A/W;同年,暨南大学Zhu等[32]在SPF上集成了一种石墨烯/PMMA薄膜,电极设计成叉指型以增强宽带区域的光吸收,在1520 nm波长下该光电探测器的响应度可达5.7×104A/W;基于此,暨南大学Zhuo等[33]对薄膜进行了改进,在石墨烯/PMMA薄膜上沉积了碳纳米管,制作了一种全新的光纤集成光电探测器(AFIP),该器件在入射光波长为650∼1610 nm的区间均有高响应度,其中波长为1550 nm处器件的响应度高达1.48×105A/W,波长为1310∼1620 nm时,响应速度为75∼85 ms;2020年,暨南大学Zhuo等[34]设计了一种在SPF上集成了石墨烯/PB/PMMA薄膜的光纤集成光电探测器(AFGD),PB层有效地防止了石墨烯中的费米能级变化,并减少了PMMA小分子残留物的带电杂质散射,该器件作为光电探测器而言,在980∼1610 nm的宽带范围内实现了超高光响应,其中在1550 nm处响应度可达1.5×107A/W,响应速度为93 ms,有趣的是,该器件同时还可作为相位调制器;2022年,暨南大学Zhuo等[35]在SPF上设计了一种集成石墨烯/MoS2/PMMA薄膜的多功能器件(PPID),金膜和石墨烯/MoS2异质结构增强了光吸收,提高了响应度,有助于实现起偏和偏振灵敏的光电检测,在1550 nm处PPID的响应度为2.2×105A/W,响应速度为57.3 ms,光电流偏振比为0.686,偏振效率为3.9 dB/mm。表1总结了上述SPF-AFPD的结构及主要参数。

表1 不同SPF-AFPD的结构及主要参数比较Table 1 Structure and main parameter comparison of different SPF-OFPD

SPF毫米级长度的平坦区为二维材料和电极的集成提供了一个通用平台,极大程度地弥补了光纤本身弧形结构的缺陷。但是基于SPF的器件对平坦区的粗糙度要求较高,粗糙度会影响材料和电极与光纤平台的贴合程度,从而影响材料的质量和载流子的传输。

2.3光纤端面集成二维材料的光电探测器

光纤端面除了本身机械强度高之外,还具有较低的插入损耗和操纵自由空间光的能力,也可实现远程自对准光路。当二维材料集成在光纤端面时,独特的原子厚度独立式膜片有望实现超灵敏的全光纤微机电系统,可作为光网络的新型集成即插即用组件。在这里主要介绍了近几年FE-AFPD的研究进展,主要研究单位包括暨南大学与南京大学。

2017年,南京大学Chen等[36]将少层MoS2转移到光纤端面,成功制造了一种FE-AFPD,在400 nm波长下,偏压为4 V时,该器件的响应度为0.6 A/W,响应速度为7.1 s;同年,为了提升此类型光电探测器的响应度,Chen等[37]将CsPbBr3与石墨烯转移到光纤端面上,制作了一种超灵敏的AFPD,器件在400 nm下响应度可达2×104A/W;2019年,南京大学Xiong等[38]在光纤端面上集成了一个多层石墨烯/MoS2/WS2异质结构薄膜,器件在400 nm波长下响应度为6.6×107A/W,响应速度可达7 ms,由于MoS2/WS2异质结构中的II型交错带排列,MoS2和WS2之间的层间光学跃迁使器件能够感应红外光,在光波长为1550 nm时具有17.1 A/W的响应度;2021年,暨南大学Liu等[39]将BSCCO集成到光纤端面,制作了一个FE-AFPD,在1550 nm下,响应速度为170 ms,响应度为0.34 A/W;2021年,暨南大学Yang等[40]将石墨烯/PdSe2异质结组装到光纤端面上,制作了一个FE-AFPD,并创新性地在异质结上覆盖了一层金膜用作反射镜,该光电探测器具有650∼1550 nm的宽带光响应,最大响应度为6.68×104A/W,最快响应速度为660µs;2022年,南京大学Xiong等[41]通过在单个光纤端面上集成图案化单层石墨烯光电探测器阵列展示了一种超紧凑的七芯光纤复用光电探测器,在1550 nm下响应速度为66µs,响应度为35.4µA/W;2022年,南京大学Xiong等[42]在光纤端面堆叠了Bi2Se3/b-Bp/t-Bp的异质结,实现了一种FE-OFPD,在1550 nm下其响应速度为800 ns,归一化探测率为2.91×108Jones,此外该器件对LP或CP光的偏振状态也具有检测能力。表2对上述不同FE-AFPD的结构及主要参数进行了比较。但是,与前面提到的两种类型的光电探测器相比,FE-AFPD会受到光与物质相互作用距离短和传感面积小的限制,需要另外设计新的结构来弥补这方面的缺陷。

表2 不同FE-AFPD的结构及主要参数比较Table 2 Structure and main parameter comparison of different FE-AFPD

综上,AFPD的响应度普遍能达到105A/W,而传统的片上集成光电探测器的响应度大多为几十mA/W[43−48],如表3所示。这体现了AFPD在光电转换效率方面的巨大优势。

表3 不同片上集成光电探测器的结构及主要参数比较Table 3 Comparison of structure and main parameters of different on-chip integrated photodetectors

Continued

3 总结与展望

首先阐述了AFPD在光纤通信中的优势,即可与光纤系统无缝连接、能实现分布式多点光电探测和原位在线功率检测等;其次介绍了制备AFPD的关键步骤,包括光纤平台的制备(MF、SPF)、二维材料的转移以及光纤上电极的制备;最后介绍了AFPD的最新研究进展,包括结构的设计与改良、响应度与响应速度等参数的比较。

总而言之,三种类型的AFPD各有优势与缺陷。MF-AFPD具有较长的光与物质相互作用距离,因结构脆弱而需要良好的封装进行保护;SPF-AFPD中独特的平坦区弥补了光纤本身弧形结构的缺陷,便于平面微纳加工以及材料的集成;FE-AFPD具有较小的器件体积和较低的插入损耗,同时保持了耦合和操纵自由空间光的能力,但会受到光与物质相互作用距离短和传感面积小的限制。除此之外,就制造工艺而言,AFPD与传统的片上光电探测器相比仍有许多技术问题亟待解决,例如目前的光纤平台缺乏复杂的微纳制造技术,对二维材料传输性能的处理不够多样化等[49−54]。

在当前AFPD的发展基础上,未来首先要致力于开发与多种光纤(如多模光纤、保偏光纤、色散光纤等)集成具有新型功能的、能将光信息完整转换到电信息的功能系统,使系统小型化;其次是将多种功能集成于一个光电器件,特别是一个器件具有在线同时实现多种光电功能的能力;除此之外,目前AFPD的响应机制主要分为基于光生载流子的探测、沟道电导率变化的探测、热效应的探测等,将不同机制的优势结合在同一个器件上也是未来研究AFPD的一个重点;最后要继续探索能与光纤相互兼容且性质更加丰富的新型材料[55−57],并提高不同材料之间组装的工艺、设计更高性能的架构方式[58−61]。