CN110376687B - 一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片 - Google Patents

一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，包括侧抛磨光纤、微带电极、石墨烯薄膜、PB薄膜、PMMA薄膜；所述侧抛磨光纤包括纤芯和包层，所述包层和纤芯经部分抛磨处理成抛磨区；所述侧抛磨光纤的抛磨区朝上且在纤芯两侧设有微带电极，所述微带电极覆盖至非抛磨区；所述微带电极的上表面从上至下依次覆盖有PMMA薄膜、PB薄膜、石墨烯薄膜；本发明芯片具有响应速度快、探测效率高、稳定性高的特点以及极佳的光电探测性能；采用全光纤结构，与光纤通信系统完美兼容，解决生产中兼容等问题；本芯片直接在光纤上制作，制作过程简单，利于大量生产，也解决了光纤和波导结构的耦合难题，降低插入损耗，提高了器件的集成度。

Description

一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片
技术领域
本发明涉及光纤通讯技术领域，更具体地，涉及一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片。
背景技术
随着光通信网络的快速发展，光电探测、传感技术也日渐成熟，对光电探测器的灵敏度、响应速度、适用波长范围等也提出了更高的要求。CMOS技术的快速发展促使光电探测器向可集成化方向发展，同时全光通信网络的发展也对光电探测芯片提出了全光纤化的需求。
石墨烯作为一种新型薄膜材料，几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，并能在很宽的光谱范围内吸收能量产生电子空穴对，使从紫外到红外甚至兆赫兹波段的宽谱光电传感得以发展；而纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍，而且受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm/(V·s)左右，同时其电阻率只有约10-6Ω·cm，比铜或银更低。由于以上优良的光学及电学特性，石墨烯成为国内外研究的热点，在光电领域有着举足轻重的地位，基于石墨烯而设计的光电探测器也层出不穷。
侧抛磨光纤，其制作成本低，可以在纤芯中形成一个可人为控制的释放光场的窗口，由此制成的光电探测器易于与光纤系统熔接，其插入损耗、偏振相关损耗、背向反射极小；对于发展高性能、低功耗、低成本的新型光电探测芯片有重大的指导意义，也适应了全光纤化探测的需求。
现有技术中，如中国专利文献号为CN105140314A的发明专利申请，公开了一种基于微纳光纤结构的宽谱石墨烯光电导探测器，其将金属电极制作在衬底上，石墨烯薄膜制作在金属电极上并将其分隔为第一电极和第二电极，微纳光纤与石墨烯薄膜相接触，偏置电压连接两个电极。虽然该专利文件利用石墨烯的特性实现了光电探测，但该探测器所使用的微纳光纤容易吸附粉尘等微粒，会对探测器的稳定性造成严重影响，容易发生探测失效。同时，微纳光纤的光场极易泄漏到衬底中去，使光电灵敏度变低，即探测结果的准确性、灵敏性难以保证。又如中国专利文献号为CN108761953A的发明专利申请，公开了一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，包括玻璃衬底和侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤抛磨区上覆盖有石墨烯薄膜，两个金属电极设置在石墨烯薄膜之上，所述金属电极为两个独立的金属叉指电极；该专利文件中虽然同时利用了石墨烯薄膜和侧抛磨光纤，但石墨烯薄膜与PMMA层之间没有隔离，容易发生费米能级变化，影响器件的探测过程，且该专利采用了玻璃衬底制作，集成度也受到影响。此外，由于其采用的是叉指电极结构，两边的电阻并联，器件的响应速度受到限制，正如专利中公布的响应时间为：上升沿0.0251s，下降沿0.0231s；即探测芯片响应时间较慢，在实际应用中有所限制，不利于光电探测芯片的发展。同时，该器件采用了PMMA薄膜和石墨烯薄膜覆盖，但石墨烯薄膜与PMMA薄膜之间缺少保护层，石墨烯薄膜容易受到损害，从而导致芯片使用寿命缩短、稳定性降低。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，用于解决现有技术中光电探测芯片响应速度慢、稳定性低、制作工艺复杂、探测效率低下、灵敏度不高的问题。本发明中的光电探测芯片除了具备宽谱探测、灵敏度高、插入损耗小的特点外，还具备响应速度快、稳定性高、光电探测效率高、使用寿命长、结构简单的特点。
本发明采取的技术方案是一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，包括侧抛磨光纤、微带电极、石墨烯薄膜、PB薄膜、PMMA薄膜；所述侧抛磨光纤包括纤芯和包层，所述包层和纤芯经部分抛磨处理成抛磨区；所述侧抛磨光纤的抛磨区朝上且在抛磨区纤芯的两侧设有微带电极，所述微带电极覆盖至非抛磨区；所述微带电极的上表面从上至下依次覆盖有PMMA薄膜、PB薄膜、石墨烯薄膜，所述依次覆盖的PMMA薄膜、PB薄膜、石墨烯薄膜构成了PMMA/PB/石墨烯复合薄膜。
所述侧抛磨光纤，即侧边抛磨光纤，包括纤芯和包层，将原光纤的包层和纤芯经过部分抛磨处理成一抛磨区，进而形成侧边抛磨光纤；侧边抛磨光纤的纤芯裸露后，形成传输光倏逝波场的泄露窗口，通过该窗口可对纤芯中的传输光进行激发、控制、调制等，以便获得有效的光电探测结果。
基于侧抛磨光纤制成的光电探测器易于与光纤系统熔接，其插入损耗、偏振相关损耗、背向反射极小；同时，侧抛磨光纤的光场不易泄漏，具有稳定的光电探测灵敏度，结合到石墨烯薄膜优越的光电性能，芯片整体的光电探测灵敏度得到显著提高。
所述微带电极直接制作在侧抛磨光纤上，制作上更加简单，与抛磨区之间的结构更加紧凑，器件更加小型化，集成度更高；同时，还可以带来更快的响应速度。
所述PB薄膜是PB溶液和氯苯以1∶5比例稀释后滴加在石墨烯薄膜上形成，所述PB溶液为聚丁二烯溶液；PB-氯苯混合溶液滴加在石墨烯薄膜上并进行匀胶、干燥处理后才能形成了均匀的PB薄膜。
所述PMMA薄膜是基于PMMA溶液形成的，所述PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯；将PMMA溶液滴加至PB/石墨烯复合薄膜的PB层表面上，经过匀胶、干燥处理后形成PMMA薄膜。
所述石墨烯薄膜能在很宽的光谱范围内吸收能量产生电子空穴对，使光电探测芯片能够进行宽谱探测；此外，石墨烯薄膜与侧抛磨光纤的纤芯直接接触，使得传输光最大限度的与石墨烯进行相互作用，提高了光电探测效率，使微型光电探测芯片的性能得到提升。
PB薄膜层设置于PMMA薄膜和石墨烯薄膜之间，一方面能够隔离PMMA层和石墨烯层，防止费米能级变化，减小器件探测过程受到的影响；另一方面，有助于减少石墨烯的缺陷，提高石墨烯的质量，使石墨烯具有更高的载流子迁移率，从而加快芯片的响应速度。此外，PB层还能作为石墨烯薄膜的保护层，减少石墨烯薄膜受到的损害，延长芯片的使用寿命。
PMMA/PB复合薄膜层可以保护石墨烯免受水等环境物质的伤害，使芯片获得长期的稳定性；PMMA/PB复合薄膜层增加了整个PMMA/PB/石墨烯复合薄膜的厚度，使整个复合薄膜的吸光能力更强，使芯片的响应度进一步提高。
PMMA薄膜层可将侧抛磨光纤的光场从纤芯吸出到抛磨面上，进而增强光与石墨烯的相互作用，增加芯片的消光比。
优选的，所述石墨烯薄膜为单层或多层石墨烯。
优选的，所述PB薄膜厚度为10nm～100nm之间。
优选的，所述PMMA薄膜厚度为20nm～400nm之间。
所述微带电极包括第一金属电极与第二金属电极，第一金属电极与第二金属电极对称分布在侧抛磨区的纤芯两侧，并延伸覆盖到同侧的非抛磨区。所以可以直接从非抛磨区的微带电极两端引线，通过改变施加在非抛磨区微带电极两端的电压来调控石墨烯对光纤中传输光的吸收。这样既避免了对抛磨区微带电极的破坏，也解决了从石墨烯薄膜上引线的难题，减小了加工难度。
优选的，所述第一、第二金属电极的间隔为1μm至60μm，保证了纤芯中释放光场的窗口和PMMA/PB/石墨烯复合薄膜之间的相互作用空间。
优选的，所述第一金属电极、第二金属电极的厚度为15nm至200nm，在该厚度范围内电极上微弱的电阻变化可以被检测，提供了检测微弱电阻变化的途径，进一步提高了芯片的灵敏度。
所述第一、第二金属电极材料采用相同的金属材料；或，所述第一、第二金属电极材料采用不同的金属材料；所述的金属材料包括金或银或铜或铝或氧化铟锡或钛或铬或镍或铂或钯或钼。采用相同金属材料时，加工更加方便简单；采用不同金属材料时，由于不同金属材料之间有功函数差，可以形成内建电场，使得光生载流子得到有效分离，光电探测结果更加准确。所述金属材料采用金或银或铜或铝或氧化铟锡或钛或铬或镍或铂或钯或钼，该类材料电阻较小，减小芯片整体的电阻，从而达到低电压高响应的效果。
所述抛磨区的侧抛磨光纤剩余厚度范围为15μm至105μm之间，抛磨区长度范围为2mm至25mm之间，所述抛磨区长度应略大于覆盖于其上的PMMA/PB/石墨烯复合薄膜的边长；足够长的抛磨区和足够深的抛磨深度保证了PMMA/PB/石墨烯复合薄膜与光纤光场的相互作用强度。
所述芯片直接在光纤上制作，无需另外衬底，使得芯片结构更加紧凑，器件整体更加小型化；同时，提高了光电探测芯片与光纤之间的集成度。此外，芯片直接在侧抛磨光纤上制作能够解决光纤和波导结构的耦合问题，减小了插入损耗。
所述微带电极直接在光纤上制作，其制作方法为镀、刻、刮中的任意一种，常用的物理方法能够减小芯片的制作难度，减少生产的时间成本；具体制作方法根据材料而定，除采用上述制作方法外还可以采用其他制作方法或结合多种制作方法进行制作。
在输入光功率为1nW时，所述的芯片的响应度超过1×104A/W。
在输入光功率为50mW时，所述芯片的响应时间在μs量级。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.石墨烯拥有超高的载流子迁移率及超快光响应速度，侧抛磨光纤比普通微纳光纤更加稳定，本发明将两者进行结合，显著的提高了光电探测芯片的性能。同时，侧抛磨光纤中的纤芯与石墨烯薄膜直接接触能够使传输光最大限度地与石墨烯进行相互作用，从而提高光电探测效率，进一步提高了微型光电探测芯片整体性能；
2.通过侧边抛磨技术使纤芯裸露，形成传输光倏逝波场的泄露窗口，可通过这个人为可控的窗口对纤芯中的传输光进行激发、控制、调制等，有助于在不同状态下获取芯片探测结果；
3.抛磨区上覆盖有PMMA/PB/石墨烯复合薄膜，PMMA可以将光场从纤芯中拖拽出来，进一步增强传输光与石墨烯的相互作用，增加芯片的消光比，光电探测结果更准确、探测效率更高；PB层可以将PMMA层与石墨烯分隔开，防止费米能级变化，减少石墨烯的缺陷，对石墨烯薄膜有保护作用，提高石墨烯的质量，使其拥有更高的载流子迁移率，加快芯片的响应速度，且复合膜结构对石墨烯的探测波长没有影响，可以覆盖整个通信波段；PMMA/PB复合层可以保护石墨烯免受水等有害环境物质的伤害，使芯片长期稳定，PMMA/PB复合层还增加了薄膜的厚度，使整个复合薄膜的吸光能力更强，提高芯片的响应度；
4.将微带电极覆盖在抛磨区纤芯两侧，并延伸覆盖到同侧的非抛磨区，可以直接从非抛磨区的微带电极两端引线，通过改变施加在非抛磨区微带电极两端的电压来调控石墨烯对光纤中传输光的吸收，可以带来更快的响应速度。此外，从非抛磨区的微带电极引线既避免了对抛磨区微带电极的破坏，也解决了从石墨烯薄膜上引线的难题，减小了加工难度。微带电极、PMMA/PB/石墨烯复合薄膜均直接在侧抛磨光纤上制作，解决了光纤和波导结构的耦合难题，进一步降低插入损耗，其结构更加紧凑，整体器件更加小型化，集成度更高。另外，本发明是全光纤结构，可以和光纤通信系统完美兼容，降低实际生产中兼容、封装等问题带来的成本。
附图说明
图1为本发明芯片结构的俯视图；
图2为本发明芯片结构的侧视图；
图3为本发明响应度测试系统结构示意图；
图4为本发明在入射波长为1550nm的激光下光电流和响应度分别随微带电极上所施加电压和输入光功率改变的变化图；
图5为本发明在输入光功率为1nW时不同波长激光下的响应度变化图；
图6为本发明在入射波长为1550nm、入射光功率为50mW的激光以及施加电压为0.3V下的响应时间图。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
如图1～2所示，本实施例包括侧抛磨光纤1、微带电极2、石墨烯薄膜3、PB薄膜4、PMMA薄膜5，所述侧抛磨光纤1包括包层12、纤芯13，包层12和纤芯13经部分抛磨处理成一抛磨区6；所述微带电极2覆盖在抛磨区6的纤芯13两侧并延伸至非抛磨区7；所述微带电极2的上表面从上至下依次覆盖有PMMA薄膜5、PB薄膜4、石墨烯薄膜3，3个薄膜层组成了PMMA-PB-石墨烯复合薄膜。
所述微带电极2包括第一金属电极21与第二金属电极22，第一金属电极21与第二金属电极22对称分布在纤芯13两侧，覆盖在抛磨区6和非抛磨区7上。
本实施例中所述第一金属电极21与第二金属电极22在纤芯两侧平行段的间隔为35μm，两个金属电极的厚度均为50nm。
本实施例中，第一金属电极21、第二金属电极22材料采用相同的金属材料，所述金属材料是金；除此之外，所述第一金属电极21、第二金属电极22材料也可采用不同的金属材料，例如第一金属电极21采用金、第二金属电极22采用银等，以达到低电压高响应效果。
本实施例采用的光纤直径为125μm，纤芯直径为8μm，抛磨后抛磨区6所在的侧抛磨光纤的剩余厚度为66.5μm，抛磨区长度为6mm。
本实施例中直接在侧抛磨光纤1的侧抛磨区6利用镀的制作方式将微带电极2制作在纤芯13两侧，然后将石墨烯薄膜3覆盖至微带电极2、纤芯13上，并在石墨烯薄膜3上表面通过匀胶、干燥处理制作PB薄膜4，在形成的PB薄膜4上表面重复匀胶、干燥步骤制作PMMA薄膜5，最终形成光电探测芯片。所述石墨烯薄膜选择为单层石墨烯，厚度为0.34nm，所述PMMA薄膜厚度为350nm，所述PB薄膜厚度为20nm。在芯片制成后，可通过对金属电极21、22组成的微带电极两端施加不同电压来调控石墨烯薄膜对光纤中传输光的吸收，进而实现光电探测功能。
如图3所示，对本发明芯片的光电流、响应度进行测量，研究它们在入射波长为1550nm的激光下随微带电极两端所施加电压以及输入光功率的变化。由可调谐激光器8发出1550nm的激光，先经过偏振控制器9，再经由光纤分光耦合器10将激光分为两路，一路直接连接第一光功率计101用以监测输入芯片的光功率，另一路先通过本发明芯片再接入第二光功率计102，同时通过第一金属电极21、第二金属电极22用数字源表103对本发明的光电探测芯片施加-0.3V～+0.3V的电压并实时记录微带电极2上的电流、电阻数据。在开启激光器8之前，要先用数字源表103测量一组本发明芯片的暗电流数据；随后开启激光器8，测量本发明芯片在不同输入光功率、不同偏置电压下的电流、电阻以及输出光功率。经过数据处理，得到如图4(a)(b)(c)(d)所示的实验结果。
如图4(a)所示，芯片的光电流随所施加的电压呈现对称分布，所施加电压的绝对值越大，光电流的绝对值也越大，最大可达约40μA；
如图4(b)所示，芯片的响应度随所施加的电压呈现对称分布，所施加电压的绝对值越大，响应度的绝对值也越大，可达1×105A/W数量级；
如图4(c)所示，芯片的光电流先随着输入光功率的增大而增大，随后呈现饱和趋势；当侧抛磨光纤1中通入激光后，石墨烯薄膜3会吸收抛磨区6的倏逝场，把一个光子变成一个空穴加一个电子，此时偏置电压的存在使得电子-空穴对不断地向第一金属电极21、第二金属电极22移动；输入光功率越大，石墨烯薄膜3进行转换的光子越多，本发明芯片中载流子浓度越高，电阻越小，从而光电流也越大；石墨烯具有饱和吸收特性，所以当入射光功率增大到一定程度时，光电流的增长速率会变缓，并且趋向饱和；
如图4(d)所示，芯片的响应度随着输入光功率的增大，先是有一个平坦区，随后逐渐降低；芯片的响应度是和光电流相对应的，一开始光电流不断增大，芯片的响应度也保持很高的水平，后面随着光电流的趋于饱和，芯片的响应度也就不断下降。
如图5所示，在输入光功率为1nW、波长为980nm-1610nm时，本发明芯片的响应度呈现平稳变化趋势，响应度数值在2.4×104A/W上下浮动，图中四个节点对应的入射波长分别是980nm、1310nm、1550nm、1610nm，其对应的响应度数值为980nm：2.58×104A/W，1310nm：2.39×104A/W，1550nm：2.65×104A/W，1610nm：2.17×104A/W，以上数据表明本发明具有通信波段宽光谱稳定传感的特性。
如图6所示，是对本发明芯片响应时间进行测量的结果部分截取图，研究它在入射波长为1550nm，输入光功率为50mW，微带电极2两端施加电压为0.3v时的响应时间。图6截取了响应时间数据图中的一个周期，可以从图中看出，本发明芯片的响应时间可达μs量级：上升沿：44μs，下降沿：52μs；上述实验数据表明了本发明芯片具备极快的响应时间。
根据图3～图6的实验数据，表明本发明芯片除了具备基本的光电探测作用外，还具有响应度高、响应速度快、光电探测效果佳的特点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，包括侧抛磨光纤、微带电极、石墨烯薄膜、PB薄膜、PMMA薄膜；所述侧抛磨光纤包括纤芯和包层，所述包层和纤芯经部分抛磨处理成抛磨区；所述侧抛磨光纤的抛磨区朝上且在纤芯两侧设有微带电极，所述微带电极覆盖至非抛磨区；所述微带电极的上表面从上至下依次覆盖有PMMA薄膜、PB薄膜、石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，所述微带电极包括第一金属电极与第二金属电极，第一金属电极与第二金属电极对称分布在纤芯两侧，覆盖在抛磨区和非抛磨区上。
3.根据权利要求2所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，所述第一、第二金属电极的间隔为1μm至60μm，厚度为15nm至200nm。
4.根据权利要求2所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，所述第一、第二金属电极材料采用相同的金属材料；或，所述第一、第二金属电极材料采用不同的金属材料；所述的金属材料包括金或银或铜或铝或氧化铟锡或钛或铬或镍或铂或钯或钼。
5.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，抛磨区所在的侧抛磨光纤的剩余厚度范围为15μm至105μm，抛磨区长度范围为2mm至25mm。
6.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，石墨烯薄膜为单层或多层石墨烯，PMMA薄膜厚度为20nm至400nm，PB薄膜厚度为10nm至100nm。
7.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，所述芯片直接在侧抛磨光纤上制作。
8.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，所述微带电极直接在侧抛磨光纤上制作，其制作方法为镀、刻、刮中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，在输入光功率为1nW时，所述的芯片的响应度超过1×104A/W。
10.根据权利要求1所述的一种微型宽谱高灵敏石墨烯光纤光电探测芯片，其特征在于，在输入光功率为50mW时，所述芯片的响应时间在μs量级。
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