日本研制出基于石墨烯的高度集成、高速硅基芯片黑体发射器

石墨烯是一种二维纳米碳材料，在电学、光学和热学方面具有独特性质，可应用于光电子器件。基于石墨烯的黑体发射器在近红外和中红外波段也是一种有前途的硅基芯片发射器。虽然石墨烯黑体发射器在稳态条件或相对较慢的调制（100kHz）频率条件下的特性已被证实，但是这些发射体在高速调制下的瞬态特性迄今尚未报道。而且，石墨烯基发射器的光通信从未被证实。

近日，日本科学技术局示了一个基于石墨烯的高度集成、高速硅基芯片黑体发射器，工作波段在近红外区域，包括电信波段。该发射器具有约为100 皮秒的快速响应时间，比之前石墨烯基发射器高约105倍。该响应时间已经在单层和多层石墨烯上得到验证，并可以通过石墨烯与衬底接触情况来控制，这取决于石墨烯的层数。研究人员通过考虑发射体包括石墨烯和衬底的热模型对热传导方程进行理论计算，阐明了该发射器高速发射的机理。模拟结果表明，快速响应特性的实现不仅可通过经典热传递，包括石墨烯的面内热传导以及向衬底的热耗散，而且可通过经由衬底表面极性声子（SPoPh）的远程量子热传递。此外，该研究首次通过实验验证了石墨烯基发光器可进行实时光通信，证明石墨烯发射器是光通信的新型光源。此外，研究人员利用化学气相沉积（CVD）方法生长的大规模石墨烯制造了集成二维阵列发射器，在空气中对其进行表面修饰。由于其封装尺寸小且是平面设备结构，因此将该发射器与光纤进行直接耦合。

图为石墨烯发射器原理示意图

石墨烯发光器与常规化合物半导体发射器相比具有极大优势，因为石墨烯发射制造过程简单，可通过渐逝场与硅波导直接耦合，因此它们可以高度集成在硅芯片上。由于石墨烯可以实现高速、小尺寸和硅基芯片发射器，这对于化合物半导体来讲仍然是一个挑战，因此石墨烯基发射器可以为高度集成的光电子和硅光子学开辟新的途径。