高性能光纤集成的多功能光电器件

1.导读

       发展结构简单的多功能光电器件是后摩尔时代数字电子技术发展的趋势之一，能在器件尺寸难以缩小的情况下有效提高芯片的集成度。而不同功能的器件通常基于不同的材料和工作机制，这为实现多功能集成带来了挑战。近年来，利用二维材料来实现多功能合一的光电子器件引发了许多关注。尤其是光电探测器、调制器和起偏器的发展，与光纤通信系统的发展和通信容量的扩展密切相关。然而，单层二维材料的超弱光与物质相互作用限制了器件的性能，例如基于单层二维材料的光电探测器光响应度低下。此外，目前多功能光电器件普遍存在多种功能不能同时工作，需要通过外部控制功能切换，且不能在线与光纤系统无缝耦合，需额外增加与光纤系统的耦合器件或封装工艺。

       针对这些问题，近日暨南大学余健辉、陈哲教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了光纤系统兼容的高性能多功能光电子器件集成方案，利用侧边抛磨光纤作为研究多功能集成光电子器件的在线平台，结合石墨烯/MoS2异质结作为光吸收和光电转化材料，在器件中同时实现了偏振敏感光电探测和起偏功能（见图1）。团队在数值仿真模拟和实验基础上，阐明了器件同时实现起偏和偏振敏感探测功能的成因和影响器件性能的主要因素，实验结果与数值仿真模拟结果高度吻合，充分证明了该方案的可靠性。

        该研究成果可以在实现光起偏和在线传输的同时，将本该损耗的光信号探测利用，大大提高了光信号的利用率，对于超弱光信号的捕获和偏振复用系统具有重要意义，并为在侧边抛磨光纤上集成二维材料实现多种功能的光电子器件提供了普适性的思路。

2. 研究背景

       二维材料具有优异的光电特性、灵活性和多功能性，目前已成功应用于光电探测器、调制器、锁模光纤激光器和起偏器等光电子器件领域。其中，光电探测器和起偏器在偏振相关光子系统中发挥着重要作用。然而由于单层二维材料的厚度仅为原子尺度，因此光吸收率低，弱的光与物质相互作用限制了光电子器件的性能，导致基于单层石墨烯的光电探测器光响应度低（<32 A/W）。构建二维材料异质结和波导集成是增强光与物质相互作用的两种有效策略。

        “光纤实验室”技术的发展推动了二维材料与光纤的结合，实现了基于微纳光纤、侧边抛磨光纤、多模光纤和光纤端面集成的光电子器件。其中，侧边抛磨光纤具有良好的鲁棒性、可控的倏逝场强度和平坦的抛磨区，被证实是出色的材料和微结构集成平台。然而，单一功能的光电子器件已不能满足光纤通信系统中小型化、集成化、轻量级、低成本、多功能、全光纤的复杂需求，并且由于材料加工技术不兼容和工作机制不同也给多功能集成带来了挑战。如何在同一器件中实现多种功能甚至同时实现多种功能，是当下面临的重要科学问题。

3. 创新研究

       针对上述挑战，研究人员从满足光纤通信系统小型化、集成化、轻量级、低成本、多功能、全光纤的需求出发，提出了一套普适的实现光纤系统兼容的高性能多功能光电子器件集成方案。基于器件对横电模（TE）和横磁模（TM）光吸收的差异性，实现了起偏和偏振敏感探测功能，这种对偏振光的差异性吸收是由侧边抛磨光纤的非圆对称性、金膜的场局域效应和石墨烯/MoS2异质结对偏振光的选择性吸收所导致。这里，器件对TM模式的光吸收远大于TE模式，当入射光包含两个相互正交偏振态TE和TM时，器件可以将TM模式携带的光信号转化为电流信号实现光电探测，同时可以使TE模式的光透射过器件继续传输（见图1）。

图1 起偏和偏振敏感探测双功能器件的原理图

       为了探究器件结构中金膜和单层MoS2对光与物质相互作用的增强效果和起偏效果，研究人员通过数值仿真模拟分别计算了器件在有无金膜和有无单层MoS2的结构下，器件的归一化强度分布、有效折射率虚部和对应的吸收系数情况（见图2）。结果表明，在有金膜和单层MoS2的结构下，石墨烯位置处TM模式的归一化强度是TE模式的65倍。对比结果表明，金膜将TM模式的吸收提高了24.8倍，而石墨烯/MoS2异质结将TM模式的吸收提高了1.75倍，并将TE模式的吸收降低了2.2倍。并且3.5毫米长的侧边抛磨区域确保了高效的光与物质相互作用。

图2 器件在不同结构下归一化强度、有效折射率虚部和对应的吸收系数的仿真模拟结果

       随后，研究人员根据仿真结果设计了侧边抛磨光纤集成石墨烯/MoS2异质结和金叉指电极的多功能光电子器件，并进一步通过实验验证了器件的起偏和光电探测性能，实验结果与预期吻合良好。经测试，器件在电信C波段（1530-1565 nm）的起偏度均大于79%，显示出宽带起偏的特性，偏振消光比在1530 nm处达到最大值13.7 dB。并且偏振消光比可以通过偏置电压调制，当调节偏置电压从0 V增加到4 V，偏振消光比从13.7 dB提高到19.2 dB。此外，团队在近红外波段（980-1620 nm）实验实现了高灵敏、宽带的偏振敏感光电探测功能（见图3），器件产生的光电流随入射光偏振角度发生显著变化，在极坐标中显示为“8”字图样，双瓣特性显示了器件的偏振依赖响应，经计算得到光电流极化比为0.686，远大于晶体的各向异性吸收。并且，器件在1550 nm入射波长下可以实现2.2×105 A/W的超高响应度，该高灵敏的全光纤器件为超弱生物发光的检测提供了可行的途径，也有可能应用于偏振复用和偏振光纤系统。

4. 应用与展望

       研究团队提出的基于侧边抛磨光纤实现多功能光电子器件的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法，通过充分利用侧边抛磨光纤的非圆对称性、金膜的场局域效应和石墨烯/MoS2异质结对偏振光的选择性吸收，实现了器件对TE模和TM模光吸收的巨大差异，首次在同一器件上同时实现了起偏和偏振敏感光电探测功能。该器件具有稳定性好、成本低、易于制造、性能高等优点，有望应用于一些无需快速响应但需要高灵敏度的特殊场合。

  该研究成果以“High performance multifunction-in-one optoelectronic device by integrating graphene/MoS2 heterostructures on side-polished fiber”为题在线发表在Nanophotonics。

论文来源：https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0688

文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/xIcb8pb2gNlWEuV0RATtnw