日本開發出光通信高速片上石墨烯黑體發射器

  ICCSZ訊 眾所周知，將高速發光體集成到硅芯片上可支持硅基光電子學的新架構。但迄今為止，由于基于化合物半導體的發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重大挑戰。

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

圖為石墨烯發射器原理示意圖

  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、光學和熱學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射體在近紅外和中紅外區域也是有希望的發光體。

  首次實現

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

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

  工作機制

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

  此外，這是首次實現基于石墨烯基發光體實時光通信，證明了石墨烯發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射器，通過化學氣相沉積法生長出了大尺寸石墨烯，該發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射器中?！?

  由于石墨烯發射器的簡單制造工藝以及通過漸消場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，石墨烯發射器提供了優于傳統化合物半導體發射器的巨大優勢。由于石墨烯具有高速、小尺寸和集成在硅芯片上的優點，這對于化合物半導體來說仍然是一個挑戰，石墨烯基發光體可以為高度集成的光電子和硅光子學開辟新的途徑。

  前景展望

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