CN208333670U - 一种光纤集成石墨烯光电探测器 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种光纤集成石墨烯光电探测器，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层经部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属电极，还包括聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜设置在抛磨区与石墨烯薄膜之间。本专利首次将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜与石墨烯薄膜堆叠排列的结构集成于侧边抛磨光纤上制备为光电探测器件，具备极高的光响应度，并具有极宽光谱的响应特性；与传统的基于硅基波导的探测器相比，基于光纤波导的探测器件设计方便，可以将光电探测技术直接用于光纤通信中的在线监测，具有很高的实用价值。

Description

一种光纤集成石墨烯光电探测器

技术领域

本专利涉及光电探测技术领域，具体涉及一种超高响应度的光纤集成石墨烯光电探测器。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维原子晶体薄膜材料，具有卓越的电学和光学特性，并有超高的热导率和超快的载流子迁移率等。这些原因，使其在光电器件的应用领域引起了越来越多的重视。在光电探测领域，石墨烯具有超高内量子效率，没有长波限制以及极高的载流子迁移率使其获得大量的关注，基于石墨烯的光电探测器也涌现出许多成果。

申请号为201120571231.X的专利公开了基于D型光纤的石墨烯电光调制器，所述石墨烯电光调制器将光纤上一段制作成D型凹槽，在D型光纤表面敷设有石墨烯，在石墨烯的一端制备有金属电极及引线，在石墨烯薄膜上镀有一层绝缘层，所述绝缘层镀设在石墨烯薄膜上金属电极及引线旁边，绝缘层为三氧化铝或其它具有高介质电常数的绝缘层，金属电极及引线为导电性电极，导电性电极是Au或Pt。此专利的不足在于，只使用了传统的石墨烯薄膜结构，光利用率不高，光电探测效应较弱。

发明内容

为解决上述问题，本专利提供一种光纤集成石墨烯光电探测器，它实现高光电探测效应。

一种光纤集成石墨烯光电探测器，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层和纤芯经部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属电极，还包括聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜设置在抛磨区与石墨烯薄膜之间。

基于光电导效应，当石墨烯吸收波导中光子的能量后，价带的电子被激励到导带上，产生光生载流子，从而使石墨烯的电阻减小，器件的光电流增大。不同功率的光入射到器件上会产生大小不同的光电流，从而实现光电探测。本探测器使用的波导是侧边抛磨光纤。单模光纤中，通常足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄露到光纤外面。侧边抛磨光纤是用抛磨的方法使光纤的包层厚度减少到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了纤芯中传输光倏逝波场的“泄露窗口”。在此“窗口”处，就存在利用倏逝波场来激发、控制、探测光光纤纤芯中的传输光标的可能。本探测器使用侧边抛磨光纤在光纤系统耦合过程中耦合效率高，有光通过“泄露窗口”时产生很强的消逝场，从而增加光与石墨烯的作用强度，进而会增加器件的响应度；其次，光与石墨烯的相互作用长度由光纤以及石墨烯的长度决定，光纤具有可以选择任意长度的优点；最后，探测器直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗低，集成在光纤上的探测器在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜设置在抛磨区与石墨烯薄膜之间，由于聚甲基丙烯酸甲酯胶的折射率大于纤芯折射率，使从纤芯倏逝出的光可以透过聚甲基丙烯酸甲酯后在与石墨烯接触的表面不断产生干涉来提高光利用率，从而增加光电探测效应。

进一步地，所述金属电极包括第一金属电极与第二金属电极，第一金属电与第二金属电极对称位于石墨烯薄膜的两侧，两侧金属电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜上。叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。采用不对称的叉指电极结构破坏传统石墨烯场效应管中的内建电场的镜像对称，产生更加高效的光电探测。

进一步地，叉指的宽度相等，间距呈周期分布。叉子电极的检测的对象小而多，而且随机分散，使用宽度相等、周期分布的叉子电极是为了更多地捕获被侧对象，节省叉指的使用量，增大检测信号，而且还可以检查被测对象的分布位置。

进一步地，所述两侧金属电极的相邻叉指间的距离为10nm至1mm。相邻叉指之间的间隙距离对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。一般来说，叉指的密度越大，探测器的灵敏度和响应速度就会越高。因此，通过优化相邻叉指间的距离参数可以提高探测器的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。

进一步地，所述抛磨区所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度为10um至100um，抛磨区长度为1mm至20mm。抛磨深度等于光纤的直径减去抛磨区所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度，足够长的抛磨区和足够深的抛磨深度增强了石墨烯薄膜与纤芯的作用强度。

进一步地，所述金属电极厚度范围为30nm至300um。电极厚度对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。当叉指电极结构尺寸减小到微米量级以下，叉指电极结构间的微弱的电阻变化可以被灵敏地检测到，探测器的灵敏度得以显著提高。因此，通过优化电极厚度参数可以提高探测器的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。

进一步地，金属电极材料为金或铜或铂或钼或钯。通过使用电阻小的金属降低器件的电阻，从而达到低电压高响应度的目的。

进一步地，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯薄膜或多层石墨烯薄膜，所述多层石墨烯薄膜的层数小于或等于9层。

本专利具有的有益效果是：探测器包括侧边抛磨光纤、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、单层石墨烯、金属叉指电极等四个部分，旨在提高红外波长和可见光区域探测器响应度和光电流的产生效率。金属叉指电极结构与单层石墨烯接触，结构上采用非对称的金属结构来破坏传统石墨烯场效应管中的内建电场的镜像对称，产生更加高效的光电探测。与纤芯接触区域的聚甲基丙烯酸甲酯胶折射率要大于纤芯折射率，使从纤芯倏逝出的光可以透过聚甲基丙烯酸甲酯薄膜后在与石墨烯接触的表面不断产生干涉提高光利用率，从而增加光电探测效应。将石墨烯单片集成在光纤波导之上，与光纤通信中使用的光纤规格设计与工艺均完美兼容，可以将光电探测技术应用于光纤通信的在线监测，解决器件不兼容和封装的成本，具有极高的商业实用价值，适合产品化的批量生产。

附图说明

图1为本专利光纤集成石墨烯光电探测器俯视结构图。

图2为本专利图1中A-A’方向剖视图。

图3为本专利图1中B-B’方向剖视图。

图4为本专利图1中C-C’方向剖视图。

图5为本专利按图1结构制作的器件，在-1V - 1v测试电压时显示出来的具有超高的响应特性图。

图6为本专利按图1结构制作的器件，在-0.1V和0.1V时器件的对称响应曲线。

图中包括包层1、纤芯2、抛磨区3、石墨烯薄膜4、金属正叉指集成区5、金属负叉指集成区6、正叉指7、负叉指8、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9、抛磨区所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度d。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进行详细说明。

如图1所示，本专利包括经过微加工的侧边抛磨光纤，侧边抛磨光纤包括有包层1、纤芯2，包层1和纤芯2经部分抛磨处理成一抛磨区3，抛磨区3所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度是d。本专利还包括有石墨烯薄膜4与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9。金属电极包括第一金属电极与第二金属电极，第一金属电与第二金属电极对称位于石墨烯薄膜的两侧。第一金属电极包括金属正叉指集成区5与正叉指7，第二金属电极包括金属负叉指集成区6与负叉指8。正叉指与负叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜4上。金属正叉指集成区5在侧边抛磨光纤波导延伸区为正叉指7；金属负叉指集成区在侧边抛磨光纤波导延伸区为负叉指8。如图2~3所示，集成区域从下到上依次排列为：包层1、抛磨区3、石墨烯薄膜4和聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9；金属正叉指集成区5、金属负叉指集成区6置于石墨烯薄膜4上，两个金属集成区向中心方向各自延伸有间隔分布的正叉指7和负叉指8。其中图4在集成结构两侧显示出包层1和纤芯2。各个剖面详细结构如图2~4所示。

基于光电导效应，当石墨烯吸收波导中光子的能量后，价带的电子被激励到导带上，产生光生载流子，从而使石墨烯的电阻减小，器件的光电流增大。不同功率的光入射到器件上会产生大小不同的光电流，从而实现光电探测。

本探测器使用的波导是侧边抛磨光纤。单模光纤中，通常足够厚度的光纤包层1保证了在纤芯2中传播的光场以及在光纤包层1中倏逝波场的能量不会泄露到光纤外面。侧边抛磨光纤是用抛磨的方法使光纤的包层1厚度减少到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了纤芯中传输光倏逝波场的“泄露窗口”。在此“窗口”处，就存在利用倏逝波场来激发、控制、探测光光纤纤芯中的传输光标的可能。本探测器使用侧边抛磨光纤在光纤系统耦合过程中耦合效率高，有光通过“泄露窗口”时产生很强的消逝场，从而增加光与石墨烯的作用强度，进而会增加器件的响应度；其次，光与石墨烯的相互作用长度由光纤以及石墨烯的长度决定，光纤具有可以选择任意长度的优点；最后，探测器直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗低，集成在光纤上的探测器在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的。优选地，所述抛磨区剩余厚度为10um至100um，抛磨区长度为1mm至20mm。抛磨深度等于光纤的直径减去抛磨区所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度， 足够长的抛磨区和足够深的抛磨深度增强了石墨烯薄膜与纤芯的作用强度。

聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9设置在抛磨区3与石墨烯薄膜4之间，由于聚甲基丙烯酸甲酯胶的折射率大于纤芯折射率，使从纤芯倏逝出的光可以透过聚甲基丙烯酸甲酯后在与石墨烯接触的表面不断产生干涉来提高光利用率，从而增加光电探测效应。

正叉指7、负叉指8相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜上。叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。采用不对称的叉指电极结构破坏传统石墨烯场效应管中的内建电场的镜像对称，产生更加高效的光电探测。优选的，金属正叉指7的宽度和负叉指8的宽度相等，金属正叉指7和负叉指8的宽度和间距呈周期分布。所述的金属电极为叉指状结构电极，是利用掩膜技术通过真空蒸镀法在石墨烯薄膜4表面生长金属电极。金属正叉指集成区5和金属负叉指集成区6分别连接到电源的正极、负极。叉子电极的检测的对象小而多，而且随机分散，使用宽度相等、周期分布的叉子电极是为了更多地捕获被侧对象，节省叉指的使用量，增大检测信号，而且还可以检查被测对象的分布位置。金属材料采用相同的金属材料，但也可以采用不用的金属材料。金属电极材料为金或铜或铂或钼或钯。通过使用电阻小的金属降低器件的电阻，从而达到低电压高响应度的目的。本实施例采用相同的金属材料金。优选地，相邻叉指间的距离为10nm至1mm，更佳的选择在1um-300um之间。相邻叉指之间的间隙距离对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。一般来说，叉指的密度越大，探测器的灵敏度和响应速度就会越高。因此，通过优化相邻叉指间的距离参数可以提高探测器的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。所述金属电极厚度范围为30nm至300um，更佳的选择在30nm-300nm之间。电极厚度对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。当叉指电极结构尺寸减小到微米量级以下，叉指电极结构间的微弱的电阻变化可以被灵敏地检测到，探测器的灵敏度得以显著提高。因此，通过优化电极厚度参数可以提高探测器的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。

所述的石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯组成的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9与石墨烯薄膜堆叠排列结构带，其中所用石墨烯为通过化学气相沉积法（CVD）生长在Cu箔上的石墨烯薄膜4，所用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9为将聚甲基丙烯酸甲酯溶于苯甲醚中搅拌均匀配置的溶液。然后通过湿法 聚甲基丙烯酸甲酯转移技术将其转移至光纤抛磨区3上，使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9的一面与纤芯2接触，石墨烯薄膜4的一面同时与正叉指7和负叉指8接触。优选的，石墨烯4采用化学气相沉积法（CVD）生长的单层或少层石墨烯薄膜。CVD法制作的石墨烯层数（w）要求范围为1层W9层。

本实施例中，首先选用直径为125um（纤芯8um）的单模光纤，经过微加工后的光纤抛磨区3长度为1mm-20mm，抛磨区光纤剩余厚度d范围为10um-100um。进一步的，利用湿法转移工艺将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9与石墨烯薄4膜堆叠排列的结构转移并覆盖在光纤抛磨面3，并使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9的一层朝下。进一步的，采用真空蒸镀技术沉积金属薄膜正叉指7和负叉指8，并使形成的金属正叉指集成区5、金属负叉指集成区6分别与电源正极和负极连接。通过真空镀膜方法在石墨烯表面生长电极的时候，金属的掺杂使得石墨烯吸光效率增加，从而增加器件的光电探测效应。进一步的，在不同入射光功率的条件下改变电源电压的大小可以调控集成区域的光电导，从而达到低电压、高响应度的探测目的，如图5所示。图6为在-0.1V和0.1V时器件响应度随着光功率变化的曲线。

石墨烯作为一种新型的二维原子晶体薄膜材料，具有卓越的电学和光学特性，并有超高的热导率和超快的载流子迁移率等。这些原因，使其在光电器件的应用领域引起了越来越多的重视。在光电探测领域，石墨烯具有超高内量子效率，没有长波限制以及极高的载流子迁移率使其获得大量的关注，基于石墨烯的光电探测器也涌现出许多成果。传统的基于石墨烯的光电探测器都是采用硅波导结构，硅波导结构制作的探测器件在于光纤系统耦合过程中存在耦合效率低的缺点；另外硅的折射率大于二氧化硅（组成光纤的主要物质）的折射率，这样有光通过硅波导时产生较弱的消逝场，从而降低光与石墨烯的作用强度，进而会降低器件的响应度；另外由于硅波导自身的局限性，在制作的尺寸上具有很大的局限性，特别是长度一般较短，相比光纤可以选择任意长度的优点就很明显的体现出来；同时，集成与光纤上的探测器在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的。对比硅波导的缺点和光纤的优点，我们在此使用光纤波导作为探测器结构的主要组成部分。同时，在电极制作过程中，材料上我们选用贵重金属（例如金等），这样通过降低器件的电阻来达到一种低电压高响应度的目的；另外结构上，我们采用不对称的叉指电极结构来提高光电流收集过程中的效率问题；在器件制作时金属电极的蒸镀过程也会为石墨烯表面带来材料的掺杂，掺杂后的结构会使器件吸光效率增加，产生更高的响应度。更为重要的是，在器件的整体结构上我们首次采用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9与石墨烯薄膜4堆叠排列的结构。由于聚甲基丙烯酸甲酯胶折射率要大于纤芯折射率，使从纤芯倏逝出的光可以透过聚甲基丙烯酸甲酯后在与石墨烯接触的表面不断产生干涉来提高光利用率，从而增加光电探测效应。

基于以上所有的背景与思想，本专利提出了一种光纤集成石墨烯光电探测器件，利用光纤波导经过轮式机械抛磨微加工技术后制作而成为SPF波导，并将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9和石墨烯薄膜4堆叠排列后与叉指电极结构集成在SPF波导之上。这种结构既可以增大光电流的收集和器件的响应度，又可以在光纤通信的过程中使光电探测的在线监测。从而具备很高的实用商业价值，有利于普遍的推广和应用。

本专利提供的一种超高响应度的光纤集成石墨烯光电探测器件，包括SPF（侧边抛磨光纤）、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9、石墨烯薄膜4、金属叉指电极等四个部分，旨在提高红外波长和可见光区域探测器响应度和光电流的产生效率。金属叉指电极结构与单层石墨烯接触，结构上采用非对称的金属结构来破坏传统石墨烯场效应管中的内建电场的镜像对称，产生更加高效的光电探测。与纤芯接触区域的聚甲基丙烯酸甲酯胶折射率要大于纤芯折射率，使从纤芯倏逝出的光可以透过聚甲基丙烯酸甲酯薄膜后在与石墨烯接触的表面不断产生干涉提高光利用率，从而增加光电探测效应。通过真空镀膜方法在石墨烯表面生长电极的时候，金属的掺杂使得石墨烯吸光效率增加，从而增加器件的光电探测效应。将石墨烯单片集成在SPF波导之上，与光纤通信中使用的光纤规格设计与工艺均完美兼容，可以将光电探测技术应用于光纤通信的在线监测，解决器件不兼容和封装的成本，具有极高的商业实用价值，适合产品化的批量生产。

Claims (8)

1.一种光纤集成石墨烯光电探测器，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层和纤芯经部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属电极，其特征在于，还包括聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜设置在抛磨区与石墨烯薄膜之间。

2.根据权利要求1所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，所述金属电极包括第一金属电极与第二金属电极，第一金属电与第二金属电极对称位于石墨烯薄膜的两侧，两侧金属电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜的表面上。

3.根据权利要求2所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，叉指的宽度相等，间距呈周期分布。

4.根据权利要求3所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，所述两侧金属电极的相邻叉指间的距离为10nm至1mm。

5.根据权利要求2所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，抛磨区所在的侧边抛磨光纤的剩余厚度为10um至100um，抛磨区长度为1mm至20mm。

6.根据权利要求2所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，所述金属电极厚度范围为30nm至300um。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，金属电极材料为金或铜或铂或钼或钯。

8.根据权利要求1所述的一种光纤集成石墨烯光电探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯薄膜或多层石墨烯薄膜，所述多层石墨烯薄膜的层数小于或等于9。