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,低于絕大多數傳統工藝制作的金屬熱電極的能耗;同時,光信號開關速度,相比于傳統的金屬熱電極的調制速度加快了近3個數量級,是迄今所報道的調控速度最快的納米熱電極。該項成果于2017年2月9日發表于世界頂級綜合類學術期刊《Nature Communications》。
在“互聯網+”的時代,傳統的電子器件越來越難以滿足現代社會急劇增長的大帶寬、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,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一步發展和應用。
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意味著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,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加快了近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。
圖2 慢光增強的石墨烯熱電極測試結果圖
考慮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,因此本項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。
資料來源于武漢光電國家實驗室,中國粉體技術網編輯整理。
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