综述：基于二维材料的光电探测器在光通信（近红外）波段研究进展

光电探测器是一种将光信号转化为电信号的传感器件。高性能光电探测器，尤其是红外光电探测器，在光通信、热成像、医疗、军事和环境监控等领域有着重要的应用。根据探测波长的分类，红外光电探测器可以分为近红外（0.78-3μm）和中红外（3-30μm）光电探测器等。光通信波段属于近红外波段的范围，因此本文主要讨论近红外光电探测器。目前，基于铟镓砷（InGaAs）和汞镉碲（HgCdTe）等传统化合物半导体材料的红外光电探测器，面临着一些问题，从而难以满足日益增长的商业需求。新型二维材料具有独特的结构和光电性质，是制备下一代低功耗、小型化光电探测器的重要材料。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京大学材料科学与工程学院和深圳大学微纳光电子学研究院的研究人员联合在《中国激光》期刊上发表了以“基于二维材料的光通信波段光电探测器”为题的文章。文中首先介绍了二维材料的基本性质；其次阐述了光电探测器的基本工作原理和性能指标；然后论述了由二维材料及其异质结构建光电探测器在光通信波段的研究进展；最后总结了二维材料在光通信波段光电探测器件领域的应用前景和未来挑战。

二维材料的基本性质

二维材料是指某一个维度尺寸是原子级厚度，另外两个维度尺寸远大于这个维度的一类材料。随着2004年单层石墨烯的成功剥离吸引了科学家们的广泛关注，许多二维材料被相继发现，包括过渡金属硫族化合物（TMDs）和氮化硼（BN）等。大部分的二维材料都表现出了独特的物理性质，其光电特性如图1所示。

图1 覆盖宽光谱的二维材料。（a）氮化硼、过渡金属硫族化合物和石墨烯的结构和带隙示意图；（b）从紫外到远红外等光谱范围，其中光通信波段属于近红外范围内。

光电探测器的工作原理和主要性能参数

根据从光信号-电信号转换的工作原理，光电探测器可分光电导效应（Photoconductive effect，PCE）、光伏效应（Photovoltaic effect，PVE）、光栅控效应（Photogating effect，PGE）、光热效应（Photo-thermoelectric effect，PTE）等四种类型。

光电探测器的性能参数包括暗电流和光电流、开关比（ON/OFF ratio）、光灵敏度（Responsivity，R）、量子效率（Quantumefficiency，QE）、等效噪声功率（Noise equivalent power，NEP）、比探测率（Specificdetectivity，D*）和响应速率。

基于单元素二维材料的光通信波段光电探测器

文中主要论述了基于二维材料的光电探测器在光通信波段应用的发展状况。

基于石墨烯的光通信波段光电探测器

由于石墨烯具有零带隙和超高的迁移率，因此通常应用于高频、宽光谱的光电探测器，如图2所示。2010年，Mueller等采用了交叉排列的金属/石墨烯/金属器件结构，电极金属分别采用钛（Ti）和钯（Pd），由于不同金属功函数的差异性，从而导致能带弯曲和沟道的不对称电场，进而在光通信C带1550nm处获得了6.1mA/W的灵敏度和10GBit/s高的数据传输速率，可应用于高速光电探测。基于石墨烯的光通信波段探测器虽具有超快响应速度，但存在光灵敏度低的问题。为了解决这个问题，Chen等基于硅衬底制备了石墨烯基光电探测器，其石墨烯作为光吸收和电荷传输层，进而在1550nm波长处实现了0.23A/W高的灵敏度和3μs短的响应时间，这是由于石墨烯和硅形成的内建电场有效地延长了光生载流子的寿命。

图2 用于光通信的石墨烯基光电探测器

基于黑磷的光通信波段光电探测器

BP也是一种单元素二维层状半导体材料，具有0.3-2eV的直接带隙和较高的迁移率，从而被应用于新型光通信波段光电探测器，如图3所示。2014年Engel等制备的BP光电探测器在1550nm波长处可实现5mA/W。紧接着Youngblood等制备了与硅光学波导集成的BP光电探测器，在光通信波长1550nm处实现了3GBit/s的数据传输速率。2017年Liu等制备了基于BP/Au肖特基的光电探测器，在C带1550nm处实现了230mA/W高的灵敏度和4.8-6.8ms的响应时间。这表明了BP在光通信领域具有重要的应用潜力。

图3 用于光通信的BP光电探测器

基于碲的光通信波段光电探测器

最近，碲烯作为一种新型单元素二维材料，由于具有高迁移率和好的稳定性等优良特点，从而获得了广泛的研究和关注。文中简要论述碲在光通信波段上的应用，如图4所示。Amani等在Au和氧化铝上制备了碲光电探测器，通过调节氧化铝的厚度便可调节光电探测器在不同探测波长的灵敏度，如当氧化铝的厚度为150nm，在光通信波长1550nm处实现了7A/W高的灵敏度。Shen等制备的碲光电探测器在光通信波长1550nm处实现了19.2mA/W灵敏度和37MHz的带宽。2022年Ma等通过物理气相沉积生长碲纳米片并制备成光电探测器，可实现从可见到厘米波段的探测。

图4 用于光通信的碲光电探测器

基于其他单元素二维材料的光通信波段光电探测器

除了石墨烯、BP和Te之外，还有其他的单元素二维材料，比如锗（Ge）、铋（Bi）和砷（As）等。这些材料具有高迁移率、窄带隙等特点，可被应用于光通信波段光电探测器。作者主要介绍了Ge、Bi和As在光通信波段光电探测器的应用，如图5所示。Song等报道了一种光子晶体共振结构的Ge光电探测器，在通信波长1550nm处实现了0.62A/W高的灵敏度，在整个C带实现了50%的外量子效率。Yao等人首次报道了一种稳定的宽光谱（370-1550nm）探测的Bi光电探测器，实现了0.25A/W高的灵敏度、0.9s的上升时间和1.9s的衰减时间，进而实现O、E、S和C波段探测。这充分说明了Ge、Bi和As等单元素二维材料在光通信波段光电探测器中的应用潜力。

图5 用于光通信的锗、铋和砷光电探测器

基于双元素二维材料的光通信波段光电探测器

双元素二维材料种类繁多，如TMDs、拓扑绝缘体和过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（MXenes）等，具有高迁移率和适当大小的带隙，因此被广泛应用于光通信波段光电探测。

基于过渡金属硫族化合物的光通信波段光电探测器

MoS2作为一种典型的TMDs材料，在单层具有1.89eV的直接带隙，而在多层的时候具有1.3eV的间接带隙，且其带隙随层厚的增加而减小。因此，MoS2不适合应用于光通信波段光电探测器，而Wang等人利用偏氟乙烯三氟乙烯铁电聚合物膜作为介电层制备了MoS2光电探测器，从而实现了500到1550nm的探测范围。而多层MoTe2是一种具有0.9eV左右的间接带隙半导体，可被应用于光通信波段光电探测器。此外，MoTe2还存在另外一种II型外尔半金属态（Td-MoTe2），可以实现宽光谱探测范围。这充分表明了MoTe2等TMDs材料在集成光子光通信光电探测器领域的应用潜力。

图6 用于光通信的MoS2和MoTe2光电探测器

贵族金属硫族化合物作为一类特殊的TMDs材料，它们具有10³cmV⁻¹s⁻¹高的迁移率、0-2eV的带隙和强稳定性等优良性能，可被应用于光通信波段光电探测器，故而引起了科学家们的广泛关注，研究结果如图7所示。

图7 用于光通信的贵金属硫化物光电探测器

基于拓扑绝缘体的光通信波段光电探测器

二维拓扑绝缘体，如薄层Bi2Se3等具有0.3eV窄带隙，且与MoS2相当的迁移率。因此它们也成为一种被应用于高性能红外波段光电探测器的候选材料。如图8所示，2018年Wang等通过范德瓦尔斯外延法生长厘米级的Bi2Se3薄片（3-10nm），并制备了光电探测器。Sharma等制备了基于另一种拓扑绝缘体，Bi2Te3的光电探测器在光通信波段其灵敏度高于330A/W，探测率高于1.0×10¹⁰Jones。这充分表明了拓扑绝缘体材料在光通信波段光电探测器的应用潜力。

图8 用于光通信的硒化铋光电探测器

基于MXenes的光通信波段光电探测器

MXene薄膜具有90%以上的宽波段光学透射率，大部分的MXenes都是金属态和半金属态，因此通常被应用于电磁屏蔽、等离子体和光电探测器等应用中。如图9所示，Jeon等人构建了基于Mo2C/MoS2混合结构的光电探测器，当光栅结构为多周期时，该混合探测器能实现>10³A/W高的灵敏度和>10²高的光开光比，相比于MoS2光电探测器在光通信波长1310nm处的灵敏度提高了3个数量级。这充分证明了MXenes在高灵敏度光通信波段光电探测器中具有重要的应用前景。

图9 用于光通信的Mo2C光电探测器

基于范德瓦尔斯异质结构建的光通信波段光电探测器

二维材料/二维材料异质结构

窄带隙半导体具有吸收低能量光子的特性，但是通常表现出较差的光响应和较低的响应速度，这是由于较弱的光吸收和低效的载流子分离和传输。通过vdW构建的二维异质结，其内电场可以有效地抑制暗电流噪声和电荷复合，从而提高光电流和光响应，相关研究成果如图10所示。

图10 基于光通信的范德瓦尔斯异质结光电探测器

基于p-g-n异质结构

基于p-g-n的异质结构是一种用于高性能宽带光电探测的新兴器件架构。在TMDs/TMDs异质结构之间夹入石墨烯，不仅可以改善TMDs层之间的接触、提高电子-空穴对分离效率和减少界面电荷陷阱以获得更快的光响应，而且借助石墨烯的无间隙还可以拓宽光电探测器的探测光谱范围。此外，通过改变石墨烯中间层的厚度，可以有效地调整和优化光生载流子到电极的光吸收、迁移率和传输距离。Long等在MoS2和WSe2之间夹入石墨烯，形成p-g-n范德华异质结，实现了400-2400nm的宽探测波长范围和53.6/30.3μs短的上升/下降时间。

结束语

本篇综述介绍了光探测器的原理、评价参数指标、二维材料的优势和基于二维材料及其异质结的光通信波段光电探测器。尽管目前报道的二维材料在光探测方面具有优异的性能，但仍有一些困难需要解决。

首先，二维材料目前仍存在难以大规模制备以及器件的均一和可靠性差等问题。化学气相沉积法（CVD）是实现二维材料产业化制备的最有潜力的技术。然而目前该方法在材料的结晶性和层厚方面上的可控性较差，这使得CVD制备的二维材料的迁移率相对较低。

其次，二维材料光探测器件的研究往往受到接触端点肖特基势垒的影响，一方面势垒抑制了电荷传输，降低了器件的性能。另一方面肖特基势垒本身也具有强烈的光响应，这会对光电探测器光响应的研究产生严重干扰，因此如何实现接触位点的欧姆接触一直都是二维材料研究的热点问题。

再者，由于二维材料超薄的性质，二维材料的光吸收不足，导致灵敏度和EQE低。为了增强光吸收，通常会增加材料的层数，但这会产生较大的暗电流，降低了检测灵敏度。为此，除了上文中介绍的通过构建异质结的方法还有如下策略：1）光栅控效应：光栅控效应是通过光诱导阱调制沟道电导的一种方法。活性材料吸收光子并产生电子-空穴对，其中一类载流子将被捕获形成局域场。光诱导的局域场延长了光生载流子的寿命，获得了较高的增益；2）等离子共振场增强效应：它的机理是二维材料中的二维电子气与表面等离子波相互作用的过程，当等离子体波受到弱阻尼时，等离子体波与二维电子气体形成干涉，进而实现等离子体波的共振探测模式，共振检测模式的信号强度通常要增强5-20倍；3）电场力调控效应：利用铁电材料超高的极化强度引起的极强电场，来减小沟道材料的禁带宽度并抑制暗电流，从而提高探测范围和灵敏度。此外，可以尝试一些新颖的设计和结构，在p-n结之间插入红外光吸收层可实现更低的暗电流和更高的灵敏度。

总之，基于二维材料的红外光电探测器的优异性能表明它们有希望应用于下一代高性能红外光电探测器。要想满足实际应用，在高品质、大规模二维材料的制备、以及器件制造工艺上仍需要大量的研究工作。

「硬核扫盲」到底什么是相干光通信？

引言：

大家好，我是小枣君。今天这篇文章，我们来聊聊一个“网红”技术——相干光通信。

相干光通信，英文全称叫做Coherent Optical Communication，是光纤通信领域的一项技术。

相比于传统的非相干光通信，相干光通信具有传输距离更远、传输容量更大的技术优势，因此广受行业各界的关注，研究热度不断攀升。

█ 什么是相干光

在介绍相干光通信之前，我们先简单了解一下什么是相干光 。

我们口头上经常说的“相干”，大家都理解，就是“互相关联或牵涉”的意思。

光的相干（coherence），是指两个光波在传输的过程中，同时满足以下3个条件：

1、频率（波长）相同；

2、振动方向相同；

3、相位差恒定。

相干光

这样的两束光，在传输时，相互之间能产生稳定的干涉（interference）。

这种干涉，既可以是相长干涉（加强），也可以是相消干涉（抵消）。

如下图所示：

很显然，相长干涉可以让光波（信号）变得更强。

大家可以回忆一下著名的杨氏双缝干涉实验

█ 什么是相干光通信

好了，接下来我们进入正题，说说什么是相干光通信。

很多人可能会认为，相干光通信，就是利用相干光进行传输通信。

其实，这个说法是不对的。相干光通信和非相干光通信，基本都是用的激光，没有本质的区别。

相干光通信之所以叫“相干光通信”，并不是取决于传输过程中用的光，而是取决于在发送端使用了相干调制，在接收端使用了相干技术进行检测。

上图：非相干光通信

下图：相干光通信

区别在两端，不在传输路径上

接收端的技术，是整个相干光通信的核心，也是它牛逼的主要原因。

我们可以先说结论：在相同条件下，相对于传统非相干光通信，相干光通信的接收机可以提升灵敏度20db 。

20db是什么概念？100倍！

这个提升非常惊人了，接近散粒噪声极限。

在这个20db的帮助下，相干光通信的通信距离可以提升n倍，达到千公里级别（非相干光大约只有几十公里）。你说香不香？

█ 相干光通信的发展背景

相干光通信技术这么厉害，它是一个新技术吗？

并不是。

早在上世纪80年代，光通信刚刚兴起的时候，美国、英国和日本等发达国家就已经进行了相干光通信的理论研究和实验，并取得了不错的成果。

例如，美国AT&T及Bell公司，于1989和1990年在宾州的罗灵克里克地面站与森伯里枢纽站间，先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbps FSK现场无中继相干传输实验，传输距离达到35公里。

后来，进入90年代，专家们发现，日益成熟的EDFA（掺铒光纤放大器）和WDM（波分复用）技术，可以更简单、更有效地解决了光通信的中继传输和扩容问题。

于是，相干光通信的技术研究，就被冷落了。

到了2008年左右，随着移动互联网的爆发，通信网络的数据流量迅猛增长，骨干网面临的压力陡增。

此时，EDFA和WDM技术的潜力已经越来越小。光通信厂商们，迫切需要找到新的技术突破点，提升光通信的传输能力，满足用户需求，缓解压力。

厂商们渐渐发现，随着数字信号处理（DSP）、光器件制造等技术的成熟，基于这些技术的相干光通信，刚好适合打破长距离大带宽光纤通信的技术瓶颈。

于是乎，顺理成章地，相干光通信从幕后走向了台前，迎来了自己的“第二春”。

█ 相干光通信的技术原理

接下来进入硬核阶段，我们详细解析一下相干光通信的技术原理。

前面小枣君和大家说了，相干光通信主要利用了两个关键技术，分别是相干调制 和外差检测 。

我们先看看光发送机这边的相干调制。

在此前的文章（链接）中，小枣君介绍过光载波调制的内容。

我说过，在落后的IM-DD（强度调制-直接检测）系统中，只能使用强度（幅度）调制 的方式，通过电流改变激光强度，产生0和1，以此实现对光波进行调制。

直接调制，非常简单，但是能力弱，问题多

而在相干光通信系统中，除了可以对光进行幅度调制之外，还可以采用外调制 的方式，进行频率调制或相位调制，例如PSK、QPSK、QAM等。

更多的调制方式，不仅增加了信息携带能力（单个符号可以表示更多的比特），也适合工程上的灵活应用。

下面这张图，就是一个外调制的示意图：

相干光通信的光发送机（偏振QAM）

如图所示，在发送端，采用外调制方式，使用基于马赫-曾德尔调制器（MZM）的IQ调制器，实现高阶调制格式，将信号调制到光载波上，发送出去。（具体原理，还是请参考刚才的文章链接：链接）

到了接收端，正如前文所说，进入关键环节了。

首先，利用一束本机振荡产生的激光信号（本振光），与输入信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。

光接收机的大致结构

放大来看

这其实是一个“放大”的过程。

在相干光通信系统中，经相干混合后的输出光电流的大小，与信号光功率和本振光功率的乘积成正比。由于本振光的功率远大于信号光的功率，所以，输出光电流大幅增加，检测灵敏度也就随之提升了。

换句话说，非相干光通信，是在传输过程中，使用很多的放大器，不断中继和放大信号。而相干光通信，直接在接收端，对微弱的到达信号进行混频放大。这就是相干光通信技术的本质。

混频之后，用平衡接收机进行检测。

根据本振光信号频率与信号光频率的不等或相等，相干光通信可分为外差检测、内差检测、零差检测。

外差检测相干光通信，经光电检波器获得的是中频信号。还需要进行二次解调，才能被转换成基带信号。

零差和内差检测两种方式带来的噪声较小，减小了后续数字信号处理的功率开销和对相关器件的要求，所以最为常用。

零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，不需要进行二次解调。但它要求本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。

接下来，是同样非常重要的数字信号处理（DSP） 环节了。

光信号在光纤链路中传输时，会产生失真，也就是不利的变化。

数字信号处理技术，说白了，就是利用数字信号比较容易处理的特点，去对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。

它开创了光通信系统的数字时代，是相干光通信技术的重要支撑。

数字信号处理（DSP）技术，不仅用于接收机，也用于发送机。如下图所示：

再来一张图，帮助理解：

数字转模拟，模拟转数字

从上面的图可以看出，DSP技术进行了各种信号补偿处理，比如色度色散补偿和偏振模式色散补偿（PMD）等。

DSP的各种补偿和估算

DSP各模块的作用

传统的非相干光通信，是要通过光路补偿器件，进行色散补偿等工作的。它的补偿效果远远不如DSP。

DSP技术的引入，简化了系统设计，节约了成本，省去了系统中原有的色散补偿模块（DCM）或色散补偿光纤等，使得长距离传输的链路设计变得更加简单。

随着DSP的更迭发展，更多的算法和功能在不断的加入，如非线性补偿技术、多编码调制解调技术。

常用的补偿算法

DSP处理之后，就输出了最终的电信号。

接下来，我们通过一个100G相干传输的案例 ，回顾一下整个过程。

图片来自网络

在这个案例中，发送端采用了ePDM-QPSK高阶调制，接收端采用了相干检测接收技术。

具体过程如下：

1、经过数字信号处理和数模转换后的112Gbps信号码流，进入光发送端后，经过“串行-并行”转换，变成4路28Gbps的信号；

2、激光器发射的信号，通过偏振分束器，变成x、y两个垂直方向偏振的光信号；

3、通过MZM调制器组成的高阶调制器，对x、y偏振方向的光信号进行QPSK高阶调制；

4、调制好的偏振光信号，通过偏振合波器，合路到一根光纤上，进行传输；

5、接收端收到信号后，将信号分离到X、Y两个垂直的偏振方向上；

6、通过相干检测接收，X、Y两个垂直方面偏振的信号，变成电流/电压信号；

7、通过ADC模数转换，将电流电压信号变成0101...这样的数字码流；

8、通过数字信号处理，去除色散、噪声、非线性等干扰因素，还原出112Gbps的电信号码流，结束。

█ 相干光通信的其它支撑技术

相干光通信的性能强大，但是系统复杂度高，技术实现难度大。

非相干光 VS 相干光（图片来自通信百科）

想要实现相干光通信的实际应用，还要依赖以下几项技术：

偏振保持技术

在相干光通信中，相干检测要求信号光与本振光的偏振方向相同，即两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。

因为，在这种情况下，只有信号光电矢量在本振光电矢量方向上的投影，才能真正对混频产生的中频信号电流有贡献。

为了保证搞灵敏度，必须采取光波偏振稳定措施。

目前主要有两种方法：

一，采用“保偏光纤”，使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。（普通的单模光纤，会由于光纤的机械振动或温度变化等因素，使光波的偏振态发生变化。）

二，使用普通的单模光纤，但是在接收端采用偏振分集技术。

频率稳定技术

在相干光通信中，半导体激光器的频率稳定性非常重要。而激光器的频率，对工作温度与电流变化非常敏感。

如果激光器的频率随工作条件的不同而发生漂移，就会影响中频电流，进而提升误码率。

频谱压缩技术

在相干光通信中，光源的频谱宽度也非常重要。

只有保证光波的窄线宽，才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且，其线宽越窄，由相位漂移而产生的相位噪声越小。

为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常会采取谱宽压缩技术。

█ 相干光通信的应用

看到这里，大家对相干光通信技术的特点应该是非常了解了。

简而言之，它是一种先进且复杂的光传输系统，适用于更长距离、更大容量的信息传输。

在光纤的长距离传输中，一般每80km的跨度，就会采用EDFA（掺铒光纤放大器）。

EDFA

这玩意价格不便宜，野外环境还容易坏

有了相干光通信，长距离传输就省事多了。而且，相干光通信改造，可以直接利旧现有的光纤光缆，成本可控。

在现实应用中，相干光通信可以用于现有骨干网WDM波分复用系统的升级，也可以用于5G的中回传场景。甚至城域FTTx光纤接入，都开始研究相干光通信的引入。

目前，对相干光通信最热门的讨论，集中在“数据中心互联”场景，也就是我们现在常说的DCI（Data Center Interconnect）。

数据中心

DCI互联对长距离相干光模块的需求非常强烈。尤其是今年国家大力推动“东数西算”，对相干光通信市场有不小的刺激作用。

另外值得一提的是，相干光通信在星间自由空间光链路通信领域（也就是卫星通信），也是研究热门。

光载波的传送带宽大、质量体积小、功耗低、抗干扰和抗截获性能强，非常适合用于卫星通信。相干光通信技术，已经成为卫星通信领域的“潜力股”。

█ 结语

总而言之，相干光通信技术的回归和普及，有利于进一步挖掘光通信的性能潜力，提升极限带宽，降低部署成本。

目前，相干光通信技术的研究还在持续进行中。相干光模块工艺复杂、体积大、功耗大的问题，并没有得到彻底的解决。针对相干光通信各个关键环节的技术创新，还有很大的空间。

未来，相干光通信究竟会走向何方？让我们拭目以待吧。

—— The End ——

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参考文献：

1、相干光通信技术，徐飞；

2、什么是相干光通信和非相干光通信，通信百科；

3、知否，知否，什么是相干光通信，是德科技；

4、PM-16QAM相干光通信中偏振复用及追踪技术的研究，张曼丽；

5、相干光通信的使命和基本原理，知乎，白银之魔女；

6、超越100G速率的相干光传输技术探讨，易飞扬通信；

7、何为相干光通信系统，CSDN；

8、相干光通信，百度百科词条；

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