日本開(kāi)發(fā)出光通信高速片上石墨烯黑體發(fā)射器

  ICCSZ訊 眾所周知，將高速發(fā)光體集成到硅芯片上可支持硅基光電子學(xué)的新架構。但迄今為止，由于基于化合物半導體的發(fā)光體難以在硅襯底上直接制造，因此將其集成到硅基平臺面臨著(zhù)重大挑戰。

  近日，來(lái)自日本科學(xué)技術(shù)局的研究人員開(kāi)發(fā)了高速、高度集成的基于石墨烯的硅基芯片發(fā)射器。這些發(fā)射體工作在近紅外區域，包括電信波長(cháng)(約1550nm)。研究團隊表示，新型發(fā)射器“比傳統化合物半導體發(fā)射器具有更大的優(yōu)勢”。

圖為石墨烯發(fā)射器原理示意圖

  研究團隊

  團隊研究人員包括：Yusuke Miyoshi, Yusuke Fukazawa, Yuya Amasaka, Robin Reckmann, Tomoya Yokoi, Kazuki Ishida, Kenji Kawahara, Hiroki Ago和Hideyuki Maki，該項研究發(fā)表在Nature Communications雜志上。

  作為一種二維納米碳材料，石墨烯在電子、光學(xué)和熱學(xué)特性方面均提供了特殊能力，可應用于光電子器件。在硅芯片上，基于石墨烯的黑體發(fā)射體在近紅外和中紅外區域也是有希望的發(fā)光體。

  首次實(shí)現

  盡管此前基于石墨烯的黑體發(fā)射體已經(jīng)在穩態(tài)條件或相對較慢的調制頻率(100kHz)下被證實(shí)，但是這些發(fā)射體在高速調制下的瞬態(tài)特性迄今尚未報道。 此外，石墨烯基發(fā)射體的光學(xué)通信從未被證實(shí)過(guò)。

  該研究團隊首次在包括電信波長(cháng)的近紅外區域中證明了基于石墨烯的集成、高速片上黑體發(fā)射器。該發(fā)射器有著(zhù)約為100ps的快速響應時(shí)間，比先前的石墨烯發(fā)射器響應時(shí)間快了約105倍，該響應時(shí)間已經(jīng)在單層和少層石墨烯上被證實(shí)。器件的響應時(shí)間取決于石墨烯層的數量，可以通過(guò)石墨烯與襯底接觸來(lái)控制發(fā)射響應。

  工作機制

  基于包括石墨烯和襯底在內的發(fā)射體的熱模型，通過(guò)對熱傳導方程進(jìn)行理論計算研究人員闡明了高速發(fā)射器的工作機制。模擬結果表明，快速響應特性不僅可以通過(guò)石墨烯中的面內熱傳導的經(jīng)典熱傳遞以及向基板的熱耗散來(lái)理解，而且可以通過(guò)經(jīng)由表面極性聲子(SPoPh)的遠程量子熱傳遞。

  此外，這是首次實(shí)現基于石墨烯基發(fā)光體實(shí)時(shí)光通信，證明了石墨烯發(fā)射體有能力作為光通信的新型光源。

  研究人員表示：“我們制造出了集成的二維陣列發(fā)射器，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法生長(cháng)出了大尺寸石墨烯，該發(fā)射器可工作在空氣中，并且由于它們的平面器件結構占用的空間小，因此能夠將光纖直接耦合到發(fā)射器中?！?

  由于石墨烯發(fā)射器的簡(jiǎn)單制造工藝以及通過(guò)漸消場(chǎng)與硅波導的直接耦合，因此它們可以高度集成在硅芯片上，正因如此，石墨烯發(fā)射器提供了優(yōu)于傳統化合物半導體發(fā)射器的巨大優(yōu)勢。由于石墨烯具有高速、小尺寸和集成在硅芯片上的優(yōu)點(diǎn)，這對于化合物半導體來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)挑戰，石墨烯基發(fā)光體可以為高度集成的光電子和硅光子學(xué)開(kāi)辟新的途徑。

  前景展望

  研究人員總結道：“我們展示了實(shí)時(shí)光通信、高度集成的二維陣列發(fā)射器，可在空氣中操作的、能夠將光纖直接耦合到發(fā)射器的帶帽發(fā)射器。該發(fā)射器可以為實(shí)現高度集成的光電子和硅光子晶體管，小尺寸和高速發(fā)射器開(kāi)辟新的路徑。