CN113625475A - 石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法，属于集成光子与硅基光电子学领域。器件包括基板、核心吸收单元和信号控制处理单元，其中核心吸收单元包括光栅耦合器、光波导、石墨烯吸收层、隔离层、介质层及调谐电极。光栅耦合器与光波导连接，石墨烯吸收层、隔离层与光波导构成空间夹心结构，调谐电极与石墨烯及介质层电连接用于电学信号施加获取。本发明的微型光谱器件将石墨烯材料与光波导进行结合，以串联结构形式对入射光谱信号进行吸收并对光电信号进行处理。所设计结构在显著提升石墨烯光吸收的同时，实现了器件面向宽光谱信号的选择性吸收及相应光电信号分析重构，对于片上微型光谱芯片和微型光谱设备的开发提供思路。
Description
技术领域
本发明涉及光谱器件领域，特别是一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法。
背景技术
光谱分析作为广泛应用的检测技术之一，在成分分析和物质识别领域具有巨大应用价值。随着光谱分析应用场景的多元化和复杂化，对微型化集成化光谱分析设备的需求逐渐上升。目前在传统光谱仪基础上开发出的便携式小型光谱仪多采用光栅和干涉仪为核心器件进行集成化设计，但此类光谱仪在尺寸下降至亚毫米级别时由于光学器件尺寸的缩小将产生副作用。尽管部分微型光谱仪可以通过多探测器进行计算重构光谱技术，但仍需要厘米尺度的电荷耦合器件或CMOS阵列，难以进一步微型化。
硅基光电子技术是以现有硅工艺平台为基础，结合现有微电子CMOS技术和光子传输优良特性，在硅衬底上制作具有微纳米量级的光子和电子载体功能器件，从而实现完整功能的光电集成芯片。这一技术可以在不减小现有器件线宽的情况下实现更为高效的信号传输和处理，是集成电路芯片趋近工艺极限下的潜力技术。而当采用硅基光波导结构作为器件光信号传输载体时，可以在保证器件集成度的同时实现对入射光信号的有效引导和限制。但硅基平台自身晶体结构特点限制了其光吸收和光探测能力，因此实际器件应用过程需要实现不同种类的功能材料在硅基平台的整合工艺。常见应用于硅基平台的光电器件材料包括锗、三四主族氧化物等，但不同材料在工作波长和工作机制的差异导致目前该类器件存在工艺整合难度大，工艺成本高和性能不稳定等问题，限制了硅基光电器件在光谱领域的微型化应用。
综上所述，寻找具有宽光谱工作特性、光电特性优良和硅基平台兼容性好的材料是解决硅基平台微型光谱器件应用的重要突破口。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本申请的实施例提出了一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法来解决以上的问题。
第一方面，本申请的实施例提出了一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，包括基板、光栅耦合器、光波导、石墨烯吸收层、调谐电极和信号控制处理单元，所述光栅耦合器与所述光波导的首尾两端连接，多个所述石墨烯吸收层设置在所述基板上方并沿所述光波导的波导路径方向间隔排列，所述光波导设置在所述石墨烯吸收层的上下两侧形成夹心结构，并将多个所述石墨烯吸收层串接，所述光波导与所述石墨烯吸收层之间设有隔离层，所述调谐电极设置在所述石墨烯吸收层上方并与信号控制处理单元连接。
在一些实施例中，所述光波导包括位于所述石墨烯吸收层上方的第一光波导和位于所述石墨烯吸收层下方的第二光波导，所述第二光波导嵌入在所述基板内部。
在一些实施例中，所述隔离层包括第一隔离层和第二隔离层，所述第一隔离层设于所述第一光波导与所述石墨烯吸收层中间，所述第二隔离层设于所述第二光波导与所述石墨烯吸收层中间。
在一些实施例中，所述调谐电极包括源极、栅极和漏极，所述源极、栅极、漏极和所述第一光波导在所述石墨烯吸收层上方间隔排列，其中所述源极和漏极设于所述光波导的两侧，所述栅极设于所述光波导和所述源极之间。
在一些实施例中，所述栅极与所述石墨烯吸收层中间设有介质层。
在一些实施例中，所述信号控制处理单元包括电压控制模块和信号处理模块，所述栅极和所述源极分别与所述电压控制模块连接，所述漏极与所述信号处理模块连接。
在一些实施例中，所述光栅耦合器和所述光波导的材料包括SOI，所述隔离层的材料包括hBN或氧化铝，所述介质层的材料包括氧化铝。
第二方面，本申请的实施例还提出一种基于上述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的光谱分析方法，包括以下步骤：
将已知光谱信号输入光栅耦合器，在预设不同电学条件下采集在所述已知光谱信号下与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中漏极产生的第一输出电流；
根据所述第一输出电流和已知光谱信号计算出所述微型光谱器件的光响应基准函数；
输入待测光谱信号，在相同配置电学条件下采集与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中漏极产生的第二输出电流，结合所述光响应基准函数计算出在目标波长范围内的所述待测光谱信号。
在一些实施例中，所述电学条件为：设定与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中栅极与源极之间的第一电压，再设定与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中源极与漏极之间的第二电压，在不同的所述第二电压下重复改变所述第一电压。
在一些实施例中，所述光响应基准函数与输出电流之间的关系如下：
其中，λ1和λ2为入射光谱波长范围，Ri(λ)为光响应基准函数，F(λ)为光谱信号，Ii为在所述电学条件下n个所述石墨烯吸收层各自测得的输出电流。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)充分利用石墨烯优异光电特性：石墨烯具有从紫外到太赫兹波段的超宽光谱吸收特性，同时具有超高的载流子迁移率。传统垂直入射下受限于单层石墨烯吸收效率有限未能得到良好的应用，通过与光波导结合可以在增大与光信号作用光程的基础上实现有效吸收。同时通过外部类场效应结构对石墨烯费米能级进行调谐，当入射光子能量满足石墨烯吸收条件时可以被石墨烯吸收从而产生光生载流子，在外部电场作用下形成光生电流。
(2)石墨烯/光波导复合结构吸收效果良好：通过使用夹心结构实现石墨烯位于入射光信号光场分布最强处，实现了单位传输距离内石墨烯的高效吸收效果。
(3)多条石墨烯吸收层串联实现宽谱信号差异性吸收，通过改变不同石墨烯吸收层外部电极调谐条件实现对不同光信号的吸收及光电流收集，扫描电场环境可以实现对整个入射光谱信号的扫描测量并对相应光生电流信号进行分析处理，最终实现目标光谱计算重构。
(4)器件工艺兼容性好：石墨烯自身与硅基平台可以实现良好的转移吸附，器件工艺过程与当前集成电子器件CMOS工艺兼容，工艺可行性较好。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1为本申请的实施例的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的俯视图；
图2为本申请的实施例的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的核心吸收单元的截面图；
图3为本申请的实施例的基于石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的光谱分析方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
请参考图1和图2，本申请的实施例提出的一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件包括基板1、光栅耦合器2、光波导3、石墨烯吸收层4、调谐电极5和信号控制处理单元6，光栅耦合器2与光波导3的首尾两端连接，多个石墨烯吸收层4设置在基板1上方并沿光波导3的波导路径方向间隔排列。光栅耦合器2接收到的光信号通过光波导3进行传导，光栅耦合器2和光波导3的材料包括SOI或硅，石墨烯吸收层4的材料为石墨烯，石墨烯吸收层4的厚度为0.5-1nm，优选为单层0.7nm。在优选的实施例中，多个石墨烯吸收层4设置在基板1上方并沿光波导3的波导路径方向间隔平行排列。光波导3设置在石墨烯吸收层4的上下两侧形成夹心结构，并将多个石墨烯吸收层4串接，光波导3与石墨烯吸收层4之间设有隔离层7，调谐电极5设置在石墨烯吸收层4上方并与信号控制处理单元6连接。石墨烯吸收层4与其上下两侧的光波导3结合调谐电极5形成核心吸收单元，如图2所示。用于吸收入射光谱信号，每个石墨烯吸收层4所吸收的入射光谱信号的波长不一定相同，因此选择采用多核心吸收单元串联的方式，通过信号控制处理单元6外部调谐实现石墨烯吸收层4对入射光谱信号差异性吸收的同时对其光电信号进行收集。本申请的实施例的微型光谱器件利用光波导增强石墨烯对入射光信号吸收的同时，通过外部调谐改变石墨烯光学吸收特性，实现了器件面向宽光谱信号的选择性吸收及相应光电信号分析重构。
在具体的实施例中，请参考图2，光波导3包括位于石墨烯吸收层4上方的第一光波导31和位于石墨烯吸收层4下方的第二光波导32，其中第二光波导32嵌入在基板1内部，并且第二光波导32的上表面与基板1的表面平齐，石墨烯吸收层4设置在基板1和第二光波导32的表面并保持平坦。第一光波导31和第二光波导32的尺寸为宽度400-600nm，厚度120-130nm，优选为宽度500nm，厚度110nm。隔离层7包括第一隔离层71和第二隔离层72，隔离层7的材料包括hBN或氧化铝，隔离层材料厚度为2-10nm，优选为5nm。第一隔离层71设于第一光波导31与石墨烯吸收层4中间，第二隔离层72设于第二光波导32与石墨烯吸收层4中间，第一隔离层71和第二隔离层72与石墨烯吸收层4形成夹心结构，进一步与第一光波导31和第二光波导32形成夹心结构。石墨烯吸收层4与光波导3之间的隔离层7是防止加载偏置电压时，石墨烯吸收层4中的载流子注入光波导，影响调制效果，石墨烯与石墨烯之间的隔离层7是为了将其隔开，形成平板电容结构。调谐电极5包括源极51、栅极52和漏极53，调谐电极5材料为金/钛，厚度分别为40/10nm。源极51、栅极52、漏极53和第一光波导31在石墨烯吸收层4上方间隔排列，其中源极51和漏极53设于光波导3的两侧，栅极52设于光波导3和源极51之间。具体地，源极51和漏极53分别位于基板1的两侧边缘，源极51、栅极52、漏极53和第一光波导31在石墨烯吸收层4上方等间隔排列。源极51和漏极53之间的石墨烯吸收层4类似于串联电阻，通过栅极52电压对石墨烯吸收层4的局部调控，可以实现仅限于栅极52长度范围内石墨烯吸收层4载流子类型的调节。
在具体的实施例中，栅极52与石墨烯吸收层4中间设有介质层8。介质层8的厚度为10-50nm，优选为30nm。栅极52下面所设置的介质层8的材料为Al2O3，K值较高，有利于栅极52对导电沟道的调控作用。信号控制处理单元6包括电压控制模块61和信号处理模块62，栅极52和源极51分别与电压控制模块61连接，漏极53与信号处理模块62连接，漏极53接地。电压控制模61提供栅极52、源极51和漏极53所需调谐电压，信号处理模块62进行调谐信号输入和测量信号的放大及转换处理。通过电压控制模块61在栅极52和源极51施加外部电场使得石墨烯吸收层4处于不同吸收状态。当光信号携带能量满足吸收条件时被石墨烯吸收层4吸收并产生相应光生载流子，源极51和漏极53电极施加偏压进行载流子进行收集获得相应光生电流，光生电流信号进入信号处理模块62进行相应放大及后续转换运算处理。
基于上述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，本申请的实施例还提出一种光谱分析方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1，将已知光谱信号输入光栅耦合器，在预设不同电学条件下采集在已知光谱信号下与每个石墨烯吸收层连接的调谐电极中漏极产生的第一输出电流；
S2，根据第一输出电流和已知光谱信号计算出微型光谱器件的光响应基准函数；
S3，输入待测光谱信号，在相同配置电学条件下采集与每个石墨烯吸收层连接的调谐电极中漏极产生的第二输出电流，结合光响应基准函数计算出在目标波长范围内的待测光谱信号。
光谱反映波长范围内不同波长光信号的分布情况(相对强度)，通过光谱图可以看出一个复色光信号中的波长范围以及其相对强度。对于某些具有特征光波长信号的物质鉴别和检测。光信号入射到探测器上，发生光电转换得到该波长的光电流，电流值与光功率的大小相关，用光电流作为光谱相对强度(纵坐标)的判断依据。对单个石墨烯吸收层4，同一个光信号入射到微型光谱器件，通过施加不同电压会产生不同电流值。将n个石墨烯吸收层4串联，每个石墨烯吸收层4固定不同电压，则每个石墨烯吸收层4处于对光信号的不同吸收状态，第一个石墨烯吸收层4处于电压V1，对λ1的光信号吸收良好，但吸收其他波长如λ2和λ3较少；第二个石墨烯吸收层4处于电压V2，对λ2吸收好但不吸收λ1和λ3；依次类推，每个石墨烯吸收层4都有自己合适吸收的波长，当具有一定波长范围的光信号进入时，每个石墨烯吸收层4产生不同电流值。因此当待检测的未知光谱信号入射时，通过各个石墨烯吸收层4获得的电流值可以判断该光谱信号内是否含有相应波长光信号以及其相对强度，通过对电流值进行反向求解从而获得未知信号的光谱。
在具体的实施例中，首先使用已知单一光源及宽光谱信号对器件进行性能校准，对具有n个核心吸收单元的器件，光信号由外部光纤经光栅耦合器3耦合至光波导2内部。电压控制模块61设定各石墨烯吸收层4上的栅极52和源极51之间的第一电压至预定电压Vg1～Vgn，设定各源极51和漏极53之间的第二电压为Vd1～Vdn，记录该已知光信号下各石墨烯吸收层4连接电极输出电流Id1～Idn，根据已知光谱信号下光生电流值设置器件在该电压条件下在目标波长范围内的光响应基准函数f。在不同的第二电压下重复改变第一电压Vg1～Vgn，获得不同的第一电压下校准光谱的光生电流情况，得到不同电学条件下的多条基准函数R0～Rn。、
器件校准完毕后，相同配置电压条件下输入待测光谱信号，提取收集各个石墨烯吸收层4的光生电流，与校正光谱下的光生电流进行对比判断光谱范围，利用分段光生电流值结合基准函数进行目标光谱信号计算。在一次计算操作基础上，改变器件的第一电压Vg1～Vgn调整各个石墨烯吸收层4的吸收特性，再次对入射光谱信号进行光生电流提取。多次测量提取操作后获得不同基准函数下石墨烯吸收层4对入射光谱的吸收电流值。对不同调谐环境下获得的光生电流值，求解n条石墨烯吸收层4不同情况下的多组光生电流方程，最终利用基准函数进行光生电流运算获得目标光谱。
在具体的实施例中，光响应基准函数与输出电流之间的关系如下：
其中，λ1和λ2为入射光谱波长范围，Ri(λ)为光响应基准函数，F(λ)为光谱信号，Ii为在电学条件下n个石墨烯吸收层4各自测得的输出电流。
以下具体举例说明下本申请的实施例中的光谱分析方法：
1.设定串联的核心吸收单元1，2，3……n处于不同调节电压V1，V2，V3……Vn状态下，相应的石墨烯吸收层4处于不同吸收状态；
2.输入已知光谱信号(校准信号)获得该信号入射下各个核心吸收单元电极输出电流值I1，I2，I3……In；
3.获得当前设置电压下不同波长对应输出光电流的校正光谱响应函数R1，改变电压设置，获得多条校正光谱响应函数R2……Rn；
4.对待测信号进行测试，其中λ1和λ2为待测入射光谱信号的范围，Ri为预先校正光响应函数，F(λ)为待测光信号，I为n个核心吸收单元下各自测得光电流，通过以下公式进行计算：
未知光信号F(λ)输入后，由于所含光信号波长及强度与校正光谱响应函数存在差异，因此相应光电流也存在差距，变更电压设置采用不同校正光谱响应函数R，两者结合下求解积分获得该范围内整体光电流值，n条校正光谱响应函数对应产生n个积分电流等式，求解获得原始待测光谱F(λ)。
本发明利用采用串联石墨烯与光波导复合结构，在实现光场传输限制的同时提升了石墨烯的光吸收效果，利用外部电场调谐获得了不同状态下石墨烯相应的光生电流特点，同时通过扫描外部调谐电压获得了宽谱范围内石墨烯波导器件的光谱响应变化。本发明的微型光谱器件将石墨烯材料与光波导进行结合，以串联结构形式对入射光谱信号进行吸收并对光电信号进行处理，通过外部调谐实现石墨烯对入射光信号差异性吸收的同时对其光电信号进行收集，实现对未知光谱信号的分析，对微型光谱器件的设计和光谱设备微型化提供了有益的参考思路。本发明提出的石墨烯波导器件在复合现有CMOS工艺的基础上降低了器件的材料集成难度和器件尺寸，在微型光谱设备和光谱芯片开发领域具有应用价值。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词“一”或“一个”并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，包括基板、光栅耦合器、光波导、石墨烯吸收层、调谐电极和信号控制处理单元，所述光栅耦合器与所述光波导的首尾两端连接，多个所述石墨烯吸收层设置在所述基板上方并沿所述光波导的波导路径方向间隔排列，所述光波导设置在所述石墨烯吸收层的上下两侧形成夹心结构，并将多个所述石墨烯吸收层串接，所述光波导与所述石墨烯吸收层之间设有隔离层，所述调谐电极设置在所述石墨烯吸收层上方并与信号控制处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述光波导包括位于所述石墨烯吸收层上方的第一光波导和位于所述石墨烯吸收层下方的第二光波导，所述第二光波导嵌入在所述基板内部。
3.根据权利要求2所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述隔离层包括第一隔离层和第二隔离层，所述第一隔离层设于所述第一光波导与所述石墨烯吸收层中间，所述第二隔离层设于所述第二光波导与所述石墨烯吸收层中间。
4.根据权利要求2所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述调谐电极包括源极、栅极和漏极，所述源极、栅极、漏极和所述第一光波导在所述石墨烯吸收层上方间隔排列，其中所述源极和漏极设于所述光波导的两侧，所述栅极设于所述光波导和所述源极之间。
5.根据权利要求4所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述栅极与所述石墨烯吸收层中间设有介质层。
6.根据权利要求4所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述信号控制处理单元包括电压控制模块和信号处理模块，所述栅极和所述源极分别与所述电压控制模块连接，所述漏极与所述信号处理模块连接。
7.根据权利要求5所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件，其特征在于，所述光栅耦合器和所述光波导的材料包括SOI，所述隔离层的材料包括hBN或氧化铝，所述介质层的材料包括氧化铝。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的光谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
将已知光谱信号输入光栅耦合器，在预设不同电学条件下采集在所述已知光谱信号下与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中漏极产生的第一输出电流；
根据所述第一输出电流和已知光谱信号计算出所述微型光谱器件的光响应基准函数；
输入待测光谱信号，在相同配置电学条件下采集与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中漏极产生的第二输出电流，结合所述光响应基准函数计算出在目标波长范围内的所述待测光谱信号。
9.根据权利要求8所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的光谱分析方法，其特征在于，所述电学条件为：设定与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中栅极与源极之间的第一电压，再设定与每个所述石墨烯吸收层连接的所述调谐电极中源极与漏极之间的第二电压，在不同的所述第二电压下重复改变所述第一电压。
10.根据权利要求9所述的石墨烯/光波导结合的微型光谱器件的光谱分析方法，其特征在于，所述光响应基准函数与输出电流之间的关系如下：
其中，λ1和λ2为入射光谱波长范围，Ri(λ)为光响应基准函数，F(λ)为光谱信号，Ii为在所述电学条件下n个所述石墨烯吸收层各自测得的输出电流。
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| CN202110820080.5A CN113625475A (zh) | 2021-07-20 | 2021-07-20 | 石墨烯/光波导结合的微型光谱器件及光谱分析方法 |
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| CN113625475A true CN113625475A (zh) | 2021-11-09 |
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| US20130026442A1 (en) * | 2011-07-29 | 2013-01-31 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Photodetector |
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2021
- 2021-07-20 CN CN202110820080.5A patent/CN113625475A/zh active Pending
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