产品 求购 供应 文章 问题

0431-81702023
光学工程
石墨烯遇到慢光

在“互联网+”时代,每个人都在享受着信息产业的蓬勃发展给生活所带来的前所未有的便捷体验,高速的4G/5G网络、五花八门的手机APP、智能家居、无人驾驶汽车……所有这些我们耳熟能详的“高大上”科技产品,无一例外地都依赖于其背后的高性能数据处理、传输核心器件。

传统的核心器件大多都是以电子作为信息的载体。然而,“电子瓶颈”的存在,使得传统的电子器件越来越难以满足现代社会急剧增长的、对于大带宽低能耗的数据传输与处理的要求。而将光作为信息的载体,则能充分利用光信号所具有超高速、大带宽、低处理能耗的优点,这使得集成光子器件成为了替代传统的电子器件的最佳选择。

为了保证集成光子器件的灵活性和可塑性,由金属材料制作的纳米热电极,常被铺设在集成光波导上,利用光波导折射率对温度的敏感性(热光效应),达到调控集成光子器件的目的。然而,由于金属对通信波段的光信号有着强烈的吸收损耗,在实际应用中,金属热电极与光波导之间必须设有一层较厚的氧化物作为隔离。正是由于这层氧化物的存在,导致大部分热量都被氧化层所阻断,无法高效到达目标波导,这直接导致调控所需的能耗较高,调控的速度也较慢,只能达到毫秒量级。这些因素都严重限制了集成光子器件的进一步发展和应用。


图1 慢光增强的石墨烯热电极结构示意图

来自华中科技大学武汉光电国家实验室和丹麦技术大学的科研人员通过对集成光子器件的调控问题进行长期实践与探索后认为,将石墨烯与慢光效应相结合是解决上述问题的一个有效方案。作为一个近年来频繁出现在人们视线中的热门词汇,石墨烯因其所具有的许多独特而又奇异的物理性质,成为了科学界和产业界追逐的焦点。

作为一种特殊的二维材料,单层石墨烯是由碳原子按照蜂巢型六角晶格排列构成,它有着许多其他常规材料所不具备的物理性质。例如,它几乎是透明的,只吸收2.3%的光;它的导热系数高达5300 W·m-1·K-1,是迄今为止导热性最好的材料之一。这两个优良特性意味着石墨烯可能是传统金属热电极的最佳替代者。相比于传统的金属电极,石墨烯对光的极低吸收率,使得石墨烯作为热电极可以紧紧地贴合在光波导的表面,而几乎不用考虑石墨烯对光的吸收所带来的损耗,由此避免了氧化层的引入带来的热能损耗;同时,石墨烯极高的导热系数意味着它能以极快的速度将热传送至光波导上,使得调控速度大大提高。


图2 慢光增强的石墨烯热电极器件扫描电子显微镜图(图中色彩为假色)

更为巧妙的是,通过将传统的普通光波导设计成具有特殊能带结构的光子晶体波导后,再将石墨烯放置在光子晶体波导上,石墨烯热电极的性能可以得到大幅度的提升。这是由于在光子晶体波导中,光在其中的传播速度被减缓至真空中的1/30,由此使得光信号的有效加热长度大大增加,从而进一步降低了对光信号进行调控所需的能量。

基于上述思路,武汉光电国家实验室张新亮教授团队的董建绩教授和丹麦技术大学(DTU)丁运鸿博士、Asger Mortensen教授开展合作研究,制作出了慢光增强的石墨烯热电极器件。该项成果于近期发表在Nature Communications [8, 14411 (2017)]上。


图3 慢光增强的石墨烯热电极测试结果图

器件的测试结果显示(图3),慢光增强的石墨烯器件的热调效率高达1.07 nm·mW-1,相比于无慢光增强的器件提高了近一倍,使得光信号达到360°相移所需的能耗仅为3.99 mW,低于绝大多数传统工艺制作的金属热电极的能耗;同时,光信号开关速度快至550 ns,相比于传统的金属热电极的调制速度快了近3个数量级,是迄今所报道的调控速度最快的纳米热电极。此外,该器件的综合评价指标(FOM)为2.543 nW·s,比已经报道的性能最佳的纳米电极的综合评价指标高30倍,被评价为迄今为止综合性能最佳的纳米热电极。

考虑到未来大规模集成光子回路中各种调控单元需要用到大量的微纳加热器,在能耗和调控速率上存在诸多挑战,这一研究成果有望在未来的大规模光子集成回路,如集成化相控阵雷达、光学任意波形产生器等通信、国防关键器件上得到广泛应用。


版权信息:长春市金龙光电科技有限责任公司 | 联系电话:0431-81702023 | 网站备案号:吉ICP备07002350号-1 | EMAIL:light_china@126.com