新途徑！集成于硅芯片上的石墨烯黑體發光器

　　通常，集成于硅芯片上的高速發光器可作為硅基光電子學的新型架構，但基于化合物半導體的發光器很難在硅襯底上直接制造，該類發光器與硅基平臺的集成面臨著嚴峻挑戰。因此，能在近紅外（NIR）區域（含電信波長）工作，且高速、高度集成于硅片上的石墨烯黑體發光器開發得到契機。

矩形石墨烯片連接至源極與漏極，調節輸入信號從石墨烯獲得調制黑體發射 圖片：慶應義塾大學

　　石墨烯是新興二維納米碳材料，具有獨特的電子、光學和熱學特性，可廣泛應用于光電子器件。基于石墨烯的黑體發射體在近紅外（NIR）與中紅外區域的硅芯片上發光也被寄予厚望。然而，盡管基于石墨烯的黑體發射體在穩態條件或相對較慢的調制（100kHz）下已經被證實，但這些發射體在高速調制下的瞬態特性迄今尚未報道，而且基于石墨烯發射體的光通信特性備受疑問。

　　此外，研究人員展示了一種基于石墨烯的高度集成且高速度片內黑體發射體，其在近紅外（NIR）區域(含電信波長）可穩定工作。對于單層和少層石墨烯，已大量實驗證實不足100ps的快速響應時間，且發射響應時間取決于石墨烯層的數量，可憑借石墨烯與襯底的接觸來具體控制，通過考慮石墨烯和襯底的發射體熱模型對熱傳導方程進行理論計算，闡明并掌握高速發射的機理。

　　模擬結果表明:快速響應特性不僅可解釋為石墨烯中面內熱傳導的經典熱傳遞以及向基板的熱耗散，而且可認為是表面極性聲子（SPoPh）的遠程量子熱傳遞基材。此外，首次實時光通信與石墨烯基發光體實驗結果表明石墨烯發射體是光通信的新型光源。研究人員開發出集成二維陣列發射器與大規模石墨烯生長的化學氣相沉積（CVD）方法，實現了蓋帽發射器的空氣中操作，并依賴發射器占地面積小與平面設備結構特點，將光纖與發射器完成直接耦合。

　　相比于常規化合物半導體發射體，石墨烯發光體存在諸多優勢，由于石墨烯發射體的制造過程簡單且其通過漸逝場直接與硅波導耦合，可高度集成于硅芯片上。無獨有偶，不同于化合物半導體的嚴峻挑戰，石墨烯可以實現高速、小尺寸的硅芯片發光體，可以為高度集成的光電子和硅光子學開辟新途徑。