日前，武漢光電國家實驗室的張新亮教授團隊成員董建績教授和丹麥技術(shù)大學(DTU)丁運鴻博士、Asger Mortensen教授制作出了慢光增強的石墨烯熱電極器件。器件的熱調(diào)效率，相比于無慢光增強的器件提高了近一倍，低于絕大多數(shù)傳統(tǒng)工藝制作的金屬熱電極的能耗；同時，光信號開關(guān)速度，相比于傳統(tǒng)的金屬熱電極的調(diào)制速度加快了近3個數(shù)量級，是迄今所報道的調(diào)控速度最快的納米熱電極。該項成果于2017年2月9日發(fā)表于世界頂級綜合類學術(shù)期刊《Nature Communications》。
在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代，傳統(tǒng)的電子器件越來越難以滿足現(xiàn)代社會急劇增長的大帶寬、低能耗的數(shù)據(jù)傳輸與處理的要求。而將光作為信息的載體，能充分利用光信號所具有超高速、大帶寬、低處理能耗的特點，這使得集成光子器件成為了替代傳統(tǒng)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(diào)控集成光子器件的目的。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，大部分熱量都會被氧化層所阻斷，無法高效到達目標波導，這直接導致調(diào)控所需的能耗較高，調(diào)控的速度也較慢，只能達到毫秒(10-3秒)量級。這些因素嚴重限制了集成光子器件進一步發(fā)展和應用。
來自華中科技大學武漢光電國家實驗室和丹麥技術(shù)大學的科研人員通過對集成光子器件的調(diào)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(jié)合是解決這個問題的一個有效方案。由于石墨烯對光極低的吸收率，使得石墨烯作為熱電極可以緊緊的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，避免了氧化層帶來的熱能損耗；同時，石墨烯極高的導熱系數(shù)意味著它能以極快的速度將熱運送至光波導上，使得調(diào)控速度大大提高。
圖1 慢光增強的石墨烯熱電極結(jié)構(gòu)示意圖與掃描電子顯微鏡圖
更為巧妙的是，通過將傳統(tǒng)的普通光波導設計成具有特殊能帶結(jié)構(gòu)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進一步的大幅度提升，如圖1所示。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，這使得光信號的有效加熱長度大大增加，從而進一步大幅度降低了對光信號調(diào)控所需的能耗。
基于以上的理論支持，武漢光電國家實驗室的張新亮教授團隊成員董建績教授和丹麥技術(shù)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。
器件的測試結(jié)果顯示(圖2)，慢光增強的石墨烯器件的熱調(diào)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2p相移所需的能耗僅為3.99 mW，低于絕大多數(shù)傳統(tǒng)工藝制作的金屬熱電極的能耗；同時，光信號開關(guān)速度快至550 ns，相比于傳統(tǒng)的金屬熱電極的調(diào)制速度加快了近3個數(shù)量級，是迄今所報道的調(diào)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(jīng)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。
圖2 慢光增強的石墨烯熱電極測試結(jié)果圖
考慮未來大規(guī)模集成光子回路中各種調(diào)控單元需要用到大量的微納加熱器，在能耗和調(diào)控速率上存在諸多挑戰(zhàn)，因此本項研究成果有望在未來的大規(guī)模光子集成回路如集成化相控陣雷達、光學任意波形產(chǎn)生器等通信、國防關(guān)鍵器件上得到廣泛應用。
資料來源于武漢光電國家實驗室，中國粉體技術(shù)網(wǎng)編輯整理。
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