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 石墨烯新技术：遇慢光打造世界佳纳米热电极

 

　　2月9日，《自然·通信》(Nature Communications)刊发武汉光电国家实验室(筹)董建绩教授、丹麦技术大学丁运鸿博士和Asger Mortensen教授合作研究成果。该论文题为“Slow-light-enhanced energy efficiency for graphene microheaters on silicon photonic crystal waveguides”。
 

　　在“互联网+”的时代，每个人都在享受着信息产业的蓬勃发展给生活所带来的的便捷体验，高速的4G/5G网络、五花八门的手机APP、智能家居、无人驾驶汽车……所有的这些我们耳熟能详的“高大上”科技产品，无一例外地都依赖于其背后的高性能数据处理、传输核心器件。在传统的核心器件中，大多都是以电子作为信息的载体。
 

　　然而，由于“电子瓶颈”的存在，使得传统的电子器件越来越难以满足现代社会急剧增长的大带宽、低能耗的数据传输与处理的要求。而将光作为信息的载体，能充分利用光信号所具有超高速、大带宽、低处理能耗的特点，这使得集成光子器件成为了替代传统的电子器件的佳选择。为了保证集成光子器件的灵活性和可塑性，由金属材料制作的纳米热电极，常被铺设在集成光波导上，利用光波导折射率对温度的敏感性(热光效应)，达到调控集成光子器件的目的。
 

　　不过，由于金属对通信波段的光信号有着强烈的吸收损耗，在实际应用中，金属热电极与光波导之间必须设有一层较厚的氧化物作为隔离，正是由于这层氧化物的存在，导致大部分热量都被氧化层所阻断，无法到达目标波导，这直接导致调控所需的能耗较高，调控的速度也较慢，只能达到毫秒(10^-3秒)量级。这些因素都严重限制了集成光子器件进一步发展和应用。
 

　　来自华中科技大学武汉光电国家实验室和丹麦技术大学的科研人员通过对集成光子器件的调控问题进行长期实践与探索后认为，将石墨烯与慢光效应相结合是解决这个问题的一个有效方案。
 

　　石墨烯由碳原子按照呈蜂巢型六角晶格排列构成，它是一种只有一个原子厚度的二维特殊材料。因此，它有着许多其他常规材料所不具备的特殊物理性质，例如，它几乎是透明的，只吸收2.3%的光；它的导热系数高达5300 W/m·K，是迄今为止导热性好的材料之一。这两个极为优良特性意味着它可能是传统金属热电极的佳替代者。因为相比于传统的金属电极，由于石墨烯对光极低的吸收率，使得石墨烯作为热电极可以紧紧的贴合在光波导的表面，而几乎不用考虑石墨烯对光的吸收所带来的损耗，避免了氧化层带来的热能损耗；同时，石墨烯极高的导热系数意味着它能以极快的速度将热运送至光波导上，使得调控速度大大提高。
 

　　图1 慢光增强的石墨烯热电极结构示意图与扫描电子显微镜图

 

　　更为巧妙的是，通过将传统的普通光波导设计成具有特殊能带结构的光子晶体波导后，再将石墨烯放置在光子晶体波导上，石墨烯热电极的性能可以得到进一步的大幅度提升，如图1所示。这是由于在光子晶体波导中，光在其中的传播速度被减缓至真空中的1/30，这使得光信号的有效加热长度大大增加，从而进一步大幅度降低了对光信号调控所需的能耗。
 

　　基于以上的理论支持，武汉光电国家实验室的张新亮教授团队成员董建绩教授和丹麦技术大学(DTU)丁运鸿博士、Asger Mortensen教授开展合作研究，制作出了慢光增强的石墨烯热电极器件。器件的测试结果显示(图2)，慢光增强的石墨烯器件的热调效率高达1.07 nm·mW-1，相比于无慢光增强的器件提高了近一倍，使得光信号达到2p相移所需的能耗仅为3.99 mW，低于绝大多数传统工艺制作的金属热电极的能耗；同时，光信号开关速度快至550 ns，相比于传统的金属热电极的调制速度加快了近3个数量级，是迄今所报道的调控速度快的纳米热电极。此外，该器件的综合评价指标(FOM)为2.543 nW·s，比已经报道的性能佳的纳米电极的综合评价指标高30倍，被评价为迄今为止综合性能佳的纳米热电极。考虑未来大规模集成光子回路中各种调控单元需要用到大量的微纳加热器，在能耗和调控速率上存在诸多挑战，因此本项研究成果有望在未来的大规模光子集成回路如集成化相控阵雷达、光学任意波形产生器等通信、国防关键器件上得到广泛应用。
 

　　图2 慢光增强的石墨烯热电极测试结果图

 

　　该项成果于2017年2月9日发表于世界综合类学术期刊《Nature Communications》，博士生严思琦为该研究论文作者，董建绩教授、丁运鸿博士为通讯作者。该项研究得到了中国国家自然科学基金委青年基金(No. 61622502)，丹麦独立研究基金 (DFF-1337?00152 和DFF-1335?00771)和丹麦国家研究基金项目(Project DNRF103)的支持。

   （原标题：当石墨烯遇到慢光：打造世界佳纳米热电极）