美科學(xué)家開發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)一項(xiàng)新研究證明石墨烯具有卓越的非線性光學(xué)性能，并據(jù)此開發(fā)出一種石墨烯-硅光電混合芯片。這種硅與石墨烯的結(jié)合，讓人們離超低功耗光通信近了一步，讓該技術(shù)在光互連以及低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·光學(xué)》雜志網(wǎng)站上。

該研究團(tuán)隊(duì)由哥倫比亞大學(xué)的工程師和新加坡微電子研究所的研究人員組成。他們通過放置一個(gè)碳原子厚度的石墨烯薄片，成功將不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的無源器件，轉(zhuǎn)化成為一個(gè)可發(fā)射微波光子信號(hào)、對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的有源器件。

新器件所具備的非線性光學(xué)性能能改變系統(tǒng)參數(shù)（如透射比和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換）和輸入功率水平。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在這種由光驅(qū)動(dòng)的混合芯片上存在電子和熱響應(yīng)，能發(fā)射出無線電信號(hào)，并可通過激光進(jìn)行調(diào)制。在使用不同光學(xué)頻率對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，石墨烯-硅混合芯片能夠產(chǎn)生完美的無線電諧振，且其所需功率比其他科學(xué)家用純硅電路實(shí)現(xiàn)的低50倍。

研究人員稱，他們通過將兩種電磁場(chǎng)的混合產(chǎn)生了一個(gè)新的光頻，使用其傳輸信號(hào)時(shí)所需能源遠(yuǎn)低于純硅電路，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了四波混頻現(xiàn)象。這使這種混合結(jié)構(gòu)可成為處理大量光學(xué)信號(hào)的平臺(tái)。而直到不久前，使用石墨烯的類似應(yīng)用還只停留在微米尺度的芯片上，極大限制了這種材料性能的發(fā)揮。

領(lǐng)導(dǎo)該研究的哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授黃志偉（音）表示，石墨烯扮演了重要的角色，極大地提高了原有組件的非線性光學(xué)性能，使其具備了數(shù)字開關(guān)切換功能和存儲(chǔ)能力。參與研究的顧婷怡（音）稱：“我們已經(jīng)能夠?qū)κ┑姆蔷€性性能做出證明和解釋，這種石墨烯-硅混合芯片在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了卓越的性能，未來或?qū)⒊蔀闃?gòu)建速度更快、效率更高的現(xiàn)代電信組件的基礎(chǔ)。”

哥倫比亞大學(xué)副教授詹姆斯·霍恩表示，目前石墨烯大面積、大批量的合成和生產(chǎn)已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，為此類新型芯片的生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。而物理和應(yīng)用物理學(xué)教授飛利浦·金認(rèn)為，此次的出色工作表明，當(dāng)石墨烯與硅結(jié)合后是一種獨(dú)特的光電材料，其具備的超快非線性光學(xué)調(diào)制性能，將為超快芯片、高速光通信等許多新穎的應(yīng)用打開大門。