下一代數(shù)據(jù)通信和電信中石墨烯調(diào)制器的性能飛躍

在過去的幾年中，全球數(shù)據(jù)流量蓬勃發(fā)展，全世界有超過125億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備。當(dāng)前在全球范圍內(nèi)部署的5G電信標(biāo)準(zhǔn)引發(fā)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制造的性能）的小型設(shè)備的需求。

為了尋找合適的技術(shù)，光子器件已經(jīng)成為信息和通信技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先技術(shù)，已經(jīng)超越了當(dāng)前的微電子和CMOS技術(shù)的能力。


基于石墨烯的電吸收調(diào)節(jié)劑的藝術(shù)插圖。

光通信系統(tǒng)依賴于三個(gè)基本組件：調(diào)制器，波導(dǎo)和光電探測器。光調(diào)制是光子集成電路的關(guān)鍵，因?yàn)樗试S在單個(gè)通道上同時(shí)傳輸多個(gè)信號。更具體地，電吸收（EA）調(diào)制器調(diào)制通過光波導(dǎo)的光的幅度。

迄今為止，硅和石墨烯已贏得競爭，因?yàn)樗鼈儽蛔C明是用于光學(xué)調(diào)制和檢測的最具可擴(kuò)展性，成本效益和CMOS兼容的材料?；谑┑恼{(diào)制器已經(jīng)顯示出寬帶光學(xué)帶寬和溫度穩(wěn)定性，但是在某些情況下，由于石墨烯的質(zhì)量有限以及石墨烯和電介質(zhì)之間的組合，它們無法同時(shí)顯示高速和高調(diào)制效率材料。

在《Nature Communications》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，ICFO研究人員Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI由ICFO教授Frank Koppens領(lǐng)導(dǎo)，與比薩大學(xué)，CNIT，根特大學(xué)-IMEC和NIMS的研究人員合作新型EA調(diào)制器能夠在保持高速的同時(shí)顯示靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)制效率提高3倍，該值超過了先前報(bào)道的石墨烯EA調(diào)制器的值。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員團(tuán)隊(duì)通過將高質(zhì)量的石墨烯和高k電介質(zhì)相結(jié)合，開發(fā)了一種基于石墨烯的高質(zhì)量電吸收調(diào)制器，該微電子技術(shù)也使用了該材料。通過將石墨烯與2d材料介電六角形氮化硼（hBN）集成在一起，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的石墨烯。有趣的是，該團(tuán)隊(duì)隨后能夠添加夾在兩層氮化硼之間的高k介電材料HfO2，從而允許以較小的電壓工作，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了對稱性和無滯后性，高質(zhì)量的石墨烯。這樣一來，電介質(zhì)組合就可以增強(qiáng)EA調(diào)制器的電容，而不會(huì)損害器件抵抗高壓的堅(jiān)固性，


實(shí)驗(yàn)室中正在研究基于石墨烯的電吸收調(diào)制器芯片。

正如ICFO的研究人員，該研究的第一作者Hitesh Agarwal所說："由于石墨烯與CMOS晶圓生產(chǎn)線集成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(gòu)建了hBN結(jié)構(gòu)-HfO2-hBN。不僅我們實(shí)現(xiàn)了高調(diào)制效率（由于具有高K介電常數(shù)），而且還實(shí)現(xiàn)了更高的速度（由于提高了遷移率）。"

ICFO的博士后研究員，該書的通訊作者貝納特·特雷斯（BernatTerrés）補(bǔ)充說："我們已經(jīng)等了一段時(shí)間才能看到石墨烯在應(yīng)用中釋放的出色基本功能"。他還強(qiáng)調(diào)說："光電器件是這種二維材料克服了當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)的首批產(chǎn)品之一，為其他商業(yè)應(yīng)用帶來了令人鼓舞的前景"。

總而言之，該設(shè)備能夠勝過以前的調(diào)制器，在高速下運(yùn)行，同時(shí)保持非常高的調(diào)制效率，低功耗，創(chuàng)紀(jì)錄的39GHz帶寬，運(yùn)行速度高達(dá)40Gbps，從而克服了基本限制。到目前為止，是使用雙層石墨烯系統(tǒng)獲得的。

這種設(shè)備與硅技術(shù)和微電子技術(shù)的兼容性可以促進(jìn)我們當(dāng)今在光子行業(yè)所面臨的規(guī)模改進(jìn)，并可以在電子和光電子應(yīng)用中將這種類型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)更大范圍的功能。這樣的結(jié)果無疑可以使高速和低延遲光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受益，例如自動(dòng)駕駛汽車，遠(yuǎn)程手術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)等。

這項(xiàng)研究的合作者，CNIT研究員，石墨烯旗艦項(xiàng)目的工作組負(fù)責(zé)人Marco Romagnoli評論說："這項(xiàng)超快電吸收調(diào)制器的新科學(xué)成果為速度的連續(xù)競賽鋪平了道路，展示了所實(shí)現(xiàn)的最高電光帶寬此外，這項(xiàng)工作也是完全3-D集成的第一個(gè)示例，該完全3-D集成是通過組裝不同類型的2-D材料來完全實(shí)現(xiàn)的，從而證明了這些新路線在集成電路微制造中的潛力。"

此外，諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的沃爾夫?qū)ぬ蛊諣枺╓olfgang Templ）強(qiáng)調(diào)說："這項(xiàng)工作表明，所討論的高質(zhì)量雙層封裝石墨烯結(jié)構(gòu)的2-D-3-D介電集成可以為實(shí)現(xiàn)新的高性能和微型化技術(shù)開辟道路。尺寸的電吸收調(diào)制器（EAM），可以與基于Si的電子器件組合成最先進(jìn)的高度集成的光子電路。

最后，ICFO的ICREA教授和石墨烯旗艦項(xiàng)目的工作包負(fù)責(zé)人Frank Koppens指出："數(shù)據(jù)流量正在迅速增長，并將通過使自動(dòng)駕駛汽車等方式極大地造福于社會(huì)。但是，高數(shù)據(jù)流量的功耗，這是需要解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我很高興看到，如本文所示，具有更低功耗的基于石墨烯的調(diào)制器可以同時(shí)解決兩個(gè)社會(huì)挑戰(zhàn)。"