下一代數據通信和電信中石墨烯調製器的性能飛躍

下一代數據通信和電信中石墨烯調製器的性能飛躍

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，光子器件已經成為信息和通信技術發展的領先技術，已經超越了當前的微電子和CMOS技術的能力。

基於石墨烯的電吸收調節劑的藝術插圖。

光通信系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）調製器調製通過光波導的光的幅度。

迄今為止，硅和石墨烯已贏得競爭，因為它們被證明是用於光學調製和檢測的最具可擴展性，成本效益和CMOS兼容的材料。基於石墨烯的調製器已經顯示出寬帶光學帶寬和温度穩定性，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，它們無法同時顯示高速和高調製效率材料。

在《Nature Communications》上發表的一項研究中，ICFO研究人員Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI由ICFO教授Frank Koppens領導，與比薩大學，CNIT，根特大學-IMEC和NIMS的研究人員合作新型EA調製器能夠在保持高速的同時顯示靜態和動態調製效率提高3倍，該值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，研究人員團隊通過將高質量的石墨烯和高k電介質相結合，開發了一種基於石墨烯的高質量電吸收調製器，該微電子技術也使用了該材料。通過將石墨烯與2d材料介電六角形氮化硼（hBN）集成在一起，可以實現高質量的石墨烯。有趣的是，該團隊隨後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，同時由於實現了對稱性和無滯後性，高質量的石墨烯。這樣一來，電介質組合就可以增強EA調製器的電容，而不會損害器件抵抗高壓的堅固性，

實驗室中正在研究基於石墨烯的電吸收調製器芯片。

正如ICFO的研究人員，該研究的第一作者Hitesh Agarwal所説："由於石墨烯與CMOS晶圓生產線集成的主要瓶頸之一是其與高k氧化物的不相容性，這促使我們構建了hBN結構-HfO2-hBN。不僅我們實現了高調製效率（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，該書的通訊作者貝納特·特雷斯（BernatTerrés）補充説："我們已經等了一段時間才能看到石墨烯在應用中釋放的出色基本功能"。他還強調説："光電器件是這種二維材料克服了當前最先進技術的首批產品之一，為其他商業應用帶來了令人鼓舞的前景"。

總而言之，該設備能夠勝過以前的調製器，在高速下運行，同時保持非常高的調製效率，低功耗，創紀錄的39GHz帶寬，運行速度高達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獲得的。

這種設備與硅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面臨的規模改進，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。這樣的結果無疑可以使高速和低延遲光網絡的應用受益，例如自動駕駛汽車，遠程手術，物聯網等。

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評論説："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，展示了所實現的最高電光帶寬此外，這項工作也是完全3-D集成的第一個示例，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沃爾夫岡·坦普爾（Wolfgang Templ）強調説："這項工作表明，所討論的高質量雙層封裝石墨烯結構的2-D-3-D介電集成可以為實現新的高性能和微型化技術開闢道路。尺寸的電吸收調製器（EAM），可以與基於Si的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，並將通過使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，這是需要解決的關鍵挑戰。我很高興看到，如本文所示，具有更低功耗的基於石墨烯的調製器可以同時解決兩個社會挑戰。"