日本开发出光通信高速片上石墨烯黑体发射器

众所周知，将高速发光体集成到硅芯片上可支持硅基光电子学的新架构。但迄今为止，由于基于化合物半导体的发光体难以在硅衬底上直接制造，因此将其集成到硅基平台面临着重大挑战。

近日，来自日本科学技术局的研究人员开发了高速、高度集成的基于石墨烯的硅基芯片发射器。这些发射体工作在近红外区域，包括电信波长(约1550nm)。研究团队表示，新型发射器“比传统化合物半导体发射器具有更大的优势”。

图为石墨烯发射器原理示意图

研究团队

团队研究人员包括：Yusuke Miyoshi, Yusuke Fukazawa, Yuya Amasaka, Robin Reckmann, Tomoya Yokoi, Kazuki Ishida, Kenji Kawahara, Hiroki Ago和Hideyuki Maki，该项研究发表在Nature Communications杂志上。

作为一种二维纳米碳材料，石墨烯在电子、光学和热学特性方面均提供了特殊能力，可应用于光电子器件。在硅芯片上，基于石墨烯的黑体发射体在近红外和中红外区域也是有希望的发光体。

首次实现

尽管此前基于石墨烯的黑体发射体已经在稳态条件或相对较慢的调制频率(100kHz)下被证实，但是这些发射体在高速调制下的瞬态特性迄今尚未报道。 此外，石墨烯基发射体的光学通信从未被证实过。

该研究团队首次在包括电信波长的近红外区域中证明了基于石墨烯的集成、高速片上黑体发射器。该发射器有着约为100ps的快速响应时间，比先前的石墨烯发射器响应时间快了约105倍，该响应时间已经在单层和少层石墨烯上被证实。器件的响应时间取决于石墨烯层的数量，可以通过石墨烯与衬底接触来控制发射响应。

工作机制

基于包括石墨烯和衬底在内的发射体的热模型，通过对热传导方程进行理论计算研究人员阐明了高速发射器的工作机制。模拟结果表明，快速响应特性不仅可以通过石墨烯中的面内热传导的经典热传递以及向基板的热耗散来理解，而且可以通过经由表面极性声子(SPoPh)的远程量子热传递。

此外，这是首次实现基于石墨烯基发光体实时光通信，证明了石墨烯发射体有能力作为光通信的新型光源。

研究人员表示：“我们制造出了集成的二维阵列发射器，通过化学气相沉积法生长出了大尺寸石墨烯，该发射器可工作在空气中，并且由于它们的平面器件结构占用的空间小，因此能够将光纤直接耦合到发射器中。”

由于石墨烯发射器的简单制造工艺以及通过渐消场与硅波导的直接耦合，因此它们可以高度集成在硅芯片上，正因如此，石墨烯发射器提供了优于传统化合物半导体发射器的巨大优势。由于石墨烯具有高速、小尺寸和集成在硅芯片上的优点，这对于化合物半导体来说仍然是一个挑战，石墨烯基发光体可以为高度集成的光电子和硅光子学开辟新的途径。

前景展望

研究人员总结道：“我们展示了实时光通信、高度集成的二维阵列发射器，可在空气中操作的、能够将光纤直接耦合到发射器的带帽发射器。该发射器可以为实现高度集成的光电子和硅光子晶体管，小尺寸和高速发射器开辟新的路径。

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