日本研制出基于石墨烯的高度集成、高速硅基芯片黑體發(fā)射器

石墨烯是一種二維納米碳材料，在電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)方面具有獨(dú)特性質(zhì)，可應(yīng)用于光電子器件。基于石墨烯的黑體發(fā)射器在近紅外和中紅外波段也是一種有前途的硅基芯片發(fā)射器。雖然石墨烯黑體發(fā)射器在穩(wěn)態(tài)條件或相對較慢的調(diào)制（100kHz）頻率條件下的特性已被證實(shí)，但是這些發(fā)射體在高速調(diào)制下的瞬態(tài)特性迄今尚未報道。而且，石墨烯基發(fā)射器的光通信從未被證實(shí)。

近日，日本科學(xué)技術(shù)局示了一個基于石墨烯的高度集成、高速硅基芯片黑體發(fā)射器，工作波段在近紅外區(qū)域，包括電信波段。該發(fā)射器具有約為100 皮秒的快速響應(yīng)時間，比之前石墨烯基發(fā)射器高約105倍。該響應(yīng)時間已經(jīng)在單層和多層石墨烯上得到驗(yàn)證，并可以通過石墨烯與襯底接觸情況來控制，這取決于石墨烯的層數(shù)。研究人員通過考慮發(fā)射體包括石墨烯和襯底的熱模型對熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行理論計算，闡明了該發(fā)射器高速發(fā)射的機(jī)理。模擬結(jié)果表明，快速響應(yīng)特性的實(shí)現(xiàn)不僅可通過經(jīng)典熱傳遞，包括石墨烯的面內(nèi)熱傳導(dǎo)以及向襯底的熱耗散，而且可通過經(jīng)由襯底表面極性聲子（SPoPh）的遠(yuǎn)程量子熱傳遞。此外，該研究首次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了石墨烯基發(fā)光器可進(jìn)行實(shí)時光通信，證明石墨烯發(fā)射器是光通信的新型光源。此外，研究人員利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法生長的大規(guī)模石墨烯制造了集成二維陣列發(fā)射器，在空氣中對其進(jìn)行表面修飾。由于其封裝尺寸小且是平面設(shè)備結(jié)構(gòu)，因此將該發(fā)射器與光纖進(jìn)行直接耦合。

圖為石墨烯發(fā)射器原理示意圖

石墨烯發(fā)光器與常規(guī)化合物半導(dǎo)體發(fā)射器相比具有極大優(yōu)勢，因?yàn)槭┌l(fā)射制造過程簡單，可通過漸逝場與硅波導(dǎo)直接耦合，因此它們可以高度集成在硅芯片上。由于石墨烯可以實(shí)現(xiàn)高速、小尺寸和硅基芯片發(fā)射器，這對于化合物半導(dǎo)體來講仍然是一個挑戰(zhàn)，因此石墨烯基發(fā)射器可以為高度集成的光電子和硅光子學(xué)開辟新的途徑。