電子科技：下一代通信技術的性能飛躍


圖 1：基於石墨烯的電吸收調節劑的藝術插圖。 圖片來源：ICFO/D. Alcaraz
在過去的幾年中，全球數據流量蓬勃發展，全世界有超過125億台互聯設備。當前在全球範圍內部署的5G電信標準引發了對具有更高性能（例如更高的速度，更低的功耗，更低的成本以及更易製造的性能）的小型設備的需求。
為了尋找合適的技術，光子器件已經超越了當前微電子和CMOS技術的能力，成為信息和通信技術發展的領先技術。
光通信係統依賴於三個基本組件：調製器，波導和光電探測器。光調製是光子集成電路的關鍵，因為它允許在單個通道上同時傳輸多個信號。更具體地，電吸收（EA）調製器通過光導纖維來調製通過的光的振幅。
迄今為止，矽和石墨烯被證明是用於光學調製和檢測的最具可擴展性的材料，且具有成本效益並且與CMOS技術兼容，得到了重點關注。基於石墨烯的調製器顯示出了寬頻的光學帶寬和溫度穩定性，但是在某些情況下，由於石墨烯的質量有限以及石墨烯和電介質之間的組合，它們無法同時展現高速和高調製效率的性質。
在《自然·通訊》上發表的一項研究中，由ICFO教授Frank Koppens帶領的ICREA研究人員Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI與比薩大學，CNIT，根特大學-IMEC和NIMS的研究人員，合作報道了新型EA調製器能夠在保持高速的同時，靜態和動態調製效率提高了三倍，該效率超過了先前報道的石墨烯EA調製器的值。
為了實現這一目標，研究人員通過將同樣用於微電子學中的高質量的石墨烯和高k（電介質常數）的電介質相結合，開發了高質量的石墨烯電吸收調製器。通過將石墨烯與二維六角形氮化硼（hBN）的電介質材料集成在一起，可以得到高質量的石墨烯。有趣的是，該團隊隨後能夠在兩層氮化硼之間添加高k的電介電材料HfO2，從而允許以較小的電壓工作，同時高質量的石墨烯使其表現出了對稱和無滯後的性質。通過這樣，電介質組合能夠增強EA調製器的電容，而不會損害器件抵禦高壓的堅固性，保留了電荷載體的高遷移率（提高調製效率），同時保持低摻雜水平。


圖 2：實驗室中正在研究基於石墨烯的電吸收調製器芯片。 圖片來源：ICFO
正如ICFO的研究人員，該研究的第一作者Hitesh Agarwal所說：“由於將石墨烯集成到CMOS生產線中的主要瓶頸之一是其與高k氧化物的不相容性，這促使我們構建了hBN-HfO2-hBN的結構。我們不僅實現了高調製效率（由於具有高K介電常數），而且還實現了更高的速度（由於提高了遷移率）。”
ICFO的博士後研究員，該研究的通訊作者貝納特·特雷斯（BernatTerrés）補充說：“我們已經等了一段時間才能看到石墨烯在應用中展現出出色的基本功能”。他還強調說：“光電材料是首批克服了當前最先進技術的二維材料之一，為其他商業應用帶來了令人鼓舞的前景”。
總而言之，使用雙層石墨烯係統，該器件性能優於以前的調製器，目前為止可在高速下運行，同時保持很高的調製效率，低功耗。達到突破記錄的39GHz帶寬，運行速度高達40Gbps，從而克服了基本限製。
這種設備與矽技術和微電子技術的兼容性，可以促進我們當今在光子行業所麵臨的規模改進，並可以在電子和光電子應用中將這種類型的技術實現更大範圍的功能。這樣的結果無疑有益於高速和低延遲光網絡的應用，例如自動駕駛汽車，遠程手術，物聯網等。


圖 3：自動駕駛汽車 圖片來源：technyl.com
這項研究的合作者，CNIT研究員，石墨烯旗艦項目的工作組負責人Marco Romagnoli評論說：“這項超快電吸收調製器的新科學成果為速度的連續競賽鋪平了道路，展示了由石墨烯和二維材料所實現的最高電光帶寬。此外，這項工作也是完全三維集成的第一個示例。該完全三維集成是通過組裝不同類型的二維材料來完全實現的，從而證明了這些新路線在集成電路微製造中的潛力。”
此外，諾基亞貝爾實驗室的Wolfgang Templ強調說：“這項工作表明，高質量雙層封裝石墨烯結構的2-D-3-D電介質集成可以為實現新的高性能和微型化電吸收調製器（EAMs）開辟道路。電吸收調製器（EAMs），可以與矽電子器件組合成最先進的高度集成的光子電路。
最後，ICFO的ICREA教授和石墨烯旗艦項目的工作包負責人Frank Koppens指出：“數據流量正在迅速增長，並將通過自動駕駛汽車等方式極大地造福於社會。但是，高數據流量的功耗是需要解決的關鍵挑戰。我很高興看到，在這項工作中，具有更低功耗的石墨烯調製器可以同時解決兩個社會挑戰。”
翻譯：陳丹
審校：汪茹
引進來源：ICFO
引進鏈接：https://techxplore.com/news/2021-02-graphene-modulators-datacom-telecom.html
本文來自：環球科學



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