日前，武漢光電國家實(shí)驗室的張新亮教授團隊成員董建績(jì)教授和丹麥技術(shù)大學(xué)(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。器件的熱調效率，相比于無(wú)慢光增強的器件提高了近一倍，低于絕大多數傳統工藝制作的金屬熱電極的能耗；同時(shí)，光信號開(kāi)關(guān)速度，相比于傳統的金屬熱電極的調制速度加快了近3個(gè)數量級，是迄今所報道的調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(lèi)學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。
在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代，傳統的電子器件越來(lái)越難以滿(mǎn)足現代社會(huì )急劇增長(cháng)的大帶寬、低能耗的數據傳輸與處理的要求。而將光作為信息的載體，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(diǎn)，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。在實(shí)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(huì )被氧化層所阻斷，無(wú)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(10-3秒)量級。這些因素嚴重限制了集成光子器件進(jìn)一步發(fā)展和應用。
來(lái)自華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗室和丹麥技術(shù)大學(xué)的科研人員通過(guò)對集成光子器件的調控問(wèn)題進(jìn)行長(cháng)期實(shí)踐與探索后認為，將石墨烯與慢光效應相結合是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)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(lái)的損耗，避免了氧化層帶來(lái)的熱能損耗；同時(shí)，石墨烯極高的導熱系數意味著(zhù)它能以極快的速度將熱運送至光波導上，使得調控速度大大提高。
 圖1 慢光增強的石墨烯熱電極結構示意圖與掃描電子顯微鏡圖
更為巧妙的是，通過(guò)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進(jìn)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(cháng)度大大增加，從而進(jìn)一步大幅度降低了對光信號調控所需的能耗。
基于以上的理論支持，武漢光電國家實(shí)驗室的張新亮教授團隊成員董建績(jì)教授和丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)丁運鴻博士、Asger Mortensen教授開(kāi)展合作研究，制作出了慢光增強的石墨烯熱電極器件。
器件的測試結果顯示(圖2)，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(wú)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，低于絕大多數傳統工藝制作的金屬熱電極的能耗；同時(shí)，光信號開(kāi)關(guān)速度快至550 ns，相比于傳統的金屬熱電極的調制速度加快了近3個(gè)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(jià)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(jià)指標高30倍，被評價(jià)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果圖
考慮未來(lái)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，因此本項研究成果有望在未來(lái)的大規模光子集成回路如集成化相控陣雷達、光學(xué)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(lái)源于武漢光電國家實(shí)驗室，中國粉體技術(shù)網(wǎng)編輯整理。
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