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光學工程
石墨烯遇到慢光

在“互聯網+”時代,每個人都在享受著信息產業的蓬勃發展給生活所帶來的前所未有的便捷體驗,高速的4G/5G網絡、五花八門的手機APP、智能家居、無人駕駛汽車……所有這些我們耳熟能詳的“高大上”科技產品,無一例外地都依賴于其背后的高性能數據處理、傳輸核心器件。

傳統的核心器件大多都是以電子作為信息的載體。然而,“電子瓶頸”的存在,使得傳統的電子器件越來越難以滿足現代社會急劇增長的、對于大帶寬低能耗的數據傳輸與處理的要求。而將光作為信息的載體,則能充分利用光信號所具有超高速、大帶寬、低處理能耗的優點,這使得集成光子器件成為了替代傳統的電子器件的最佳選擇。

為了保證集成光子器件的靈活性和可塑性,由金屬材料制作的納米熱電極,常被鋪設在集成光波導上,利用光波導折射率對溫度的敏感性(熱光效應),達到調控集成光子器件的目的。然而,由于金屬對通信波段的光信號有著強烈的吸收損耗,在實際應用中,金屬熱電極與光波導之間必須設有一層較厚的氧化物作為隔離。正是由于這層氧化物的存在,導致大部分熱量都被氧化層所阻斷,無法高效到達目標波導,這直接導致調控所需的能耗較高,調控的速度也較慢,只能達到毫秒量級。這些因素都嚴重限制了集成光子器件的進一步發展和應用。


圖1 慢光增強的石墨烯熱電極結構示意圖

來自華中科技大學武漢光電國家實驗室和丹麥技術大學的科研人員通過對集成光子器件的調控問題進行長期實踐與探索后認為,將石墨烯與慢光效應相結合是解決上述問題的一個有效方案。作為一個近年來頻繁出現在人們視線中的熱門詞匯,石墨烯因其所具有的許多獨特而又奇異的物理性質,成為了科學界和產業界追逐的焦點。

作為一種特殊的二維材料,單層石墨烯是由碳原子按照蜂巢型六角晶格排列構成,它有著許多其他常規材料所不具備的物理性質。例如,它幾乎是透明的,只吸收2.3%的光;它的導熱系數高達5300 W·m-1·K-1,是迄今為止導熱性最好的材料之一。這兩個優良特性意味著石墨烯可能是傳統金屬熱電極的最佳替代者。相比于傳統的金屬電極,石墨烯對光的極低吸收率,使得石墨烯作為熱電極可以緊緊地貼合在光波導的表面,而幾乎不用考慮石墨烯對光的吸收所帶來的損耗,由此避免了氧化層的引入帶來的熱能損耗;同時,石墨烯極高的導熱系數意味著它能以極快的速度將熱傳送至光波導上,使得調控速度大大提高。


圖2 慢光增強的石墨烯熱電極器件掃描電子顯微鏡圖(圖中色彩為假色)

更為巧妙的是,通過將傳統的普通光波導設計成具有特殊能帶結構的光子晶體波導后,再將石墨烯放置在光子晶體波導上,石墨烯熱電極的性能可以得到大幅度的提升。這是由于在光子晶體波導中,光在其中的傳播速度被減緩至真空中的1/30,由此使得光信號的有效加熱長度大大增加,從而進一步降低了對光信號進行調控所需的能量。

基于上述思路,武漢光電國家實驗室張新亮教授團隊的董建績教授和丹麥技術大學(DTU)丁運鴻博士、Asger Mortensen教授開展合作研究,制作出了慢光增強的石墨烯熱電極器件。該項成果于近期發表在Nature Communications [8, 14411 (2017)]上。


圖3 慢光增強的石墨烯熱電極測試結果圖

器件的測試結果顯示(圖3),慢光增強的石墨烯器件的熱調效率高達1.07 nm·mW-1,相比于無慢光增強的器件提高了近一倍,使得光信號達到360°相移所需的能耗僅為3.99 mW,低于絕大多數傳統工藝制作的金屬熱電極的能耗;同時,光信號開關速度快至550 ns,相比于傳統的金屬熱電極的調制速度快了近3個數量級,是迄今所報道的調控速度最快的納米熱電極。此外,該器件的綜合評價指標(FOM)為2.543 nW·s,比已經報道的性能最佳的納米電極的綜合評價指標高30倍,被評價為迄今為止綜合性能最佳的納米熱電極。

考慮到未來大規模集成光子回路中各種調控單元需要用到大量的微納加熱器,在能耗和調控速率上存在諸多挑戰,這一研究成果有望在未來的大規模光子集成回路,如集成化相控陣雷達、光學任意波形產生器等通信、國防關鍵器件上得到廣泛應用。


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