Only Perception: 石墨烯光學調變器造就超快通訊

2011-05-09

石墨烯光學調變器造就超快通訊

Graphene optical modulators could lead to ultrafast communications
http://www.physorg.com/news/2011-05-graphene-optical-modulators-ultrafast.html

By Sarah Yang, May 8, 2011

(PhysOrg.com) -- UCB 科學家證明一項新的石墨烯技術，那能突破目前數位通訊中的速度限制。

這個研究團隊由 UC Berkeley 工程教授 Xiang Zhang 所領導，打造一個使用石墨烯（graphene，一種結晶碳，只有一個原子厚）的微小光學裝置來切換光的開與關。這種切換能力是網路調變器的基礎特徵，那控制資料封包的傳輸速度。當資料脈衝被送出的速度愈快，所能傳輸的資訊量愈大。基於石墨烯的調變器很快就能讓消費者在幾秒鐘內將完整版本、高解析度、3D 的電影下載到智慧手機上，研究者表示。

"此為世上最小的光學調變器，且該調變器在資料通訊中為速度控制的核心，" Zhang 說，他在 UCB 指導一個 NSF 的奈米級科學與工程中心。"石墨烯讓我們能製造難以置信的、密實的調變器，其速度可能比目前技術所允許的快十倍以上。這項新技術將大幅強化我們在超快光學通訊與運算中的能力。"

在這項最新研究（發表在 5/8 的 Nature 線上版）裡，研究者能運用電學方法將石墨烯轉變成能夠吸收光線，而其波長與用於資料通訊者相同。這為石墨烯增加另一項優勢，自 2004 年當它首度從石墨（與鉛筆芯內所用元素相同）中被擷取出來後，這種材料的名聲非同凡響。這項成就使 Manchester 大學的科學家，Andre Geim 及 Konstantin Novoselov，在去年贏得諾貝爾獎。

Zhang 與教職研究員 Feng Wang 共同研究。他是物理學助教授以及 UCB 的 Ultrafast Nano-Optics Group 首腦。Zhang 與 Wang 都是 LBNL 材料科學部門的教職科學家。

"這項技術的影響將無遠弗屆，" Wang 說。"除高速運作外，由於石墨烯的彈性以及易與不同種類的材料整合，使得基於石墨烯的調變器能造就出非傳統應用。石墨烯也能用來調變新的頻率範圍，諸如廣泛用於分子感應的中紅外光。"

石墨烯是已知最薄、最強的結晶材料。它能像橡膠般伸展，而且是熱與電的優良導體。石墨烯的最後一項特質使得它成為一種別具吸引力的電子裝置材料。

"石墨烯與矽技術相容，而且製造價格低廉，" Ming Liu，Zhang 實驗室的博士後研究者，同時也是本研究共同第一作者。"去年，在韓國的研究者已製造出 30 吋的石墨烯薄膜。此外，一個調變器所需要使用的石墨烯非常小。在鉛筆中的石墨，所能提供石墨烯足以用來製造 10 億個光學調變器。"

石墨烯中的光子與電子行為，首度攫取 UCB 研究者的目光。

研究者發現，電子的能量，被稱為它的費米能階（Fermi level），能輕易地按照施於其上的電壓而改變。石墨烯的費米能階接著決定光是否被吸收。

當施以充分的負電壓時，電子會從石墨烯被吸出，且再也不夠吸收光子。當光子通過石墨烯時，光線因石墨烯變得完全透明而「被切換到 on」。石墨烯在某些正電壓下亦透明，因為在那種情況下，電子被壓擠的過於緊密，以至於它們無法吸收光子。

研究者發現一個位在中間的甜蜜點，那裡所施加的電壓足以讓電子防止光子通過，有效地將光線切換到「off」。

"如果石墨烯是走廊，而電子是人群，你能說，當大廳空無一人時，沒人在旁阻止光子，" Xiaobo Yin 說，這篇 Nature 論文的共同第一作者，以及 Zhang 實驗室中的研究科學家。"在另一個極端下，那時大廳過於擁擠，人們無法移動且不足以阻擋光子。在這二種情況之間，電子能與光子互動以及吸收光子，而石墨烯變成不透明。"

在他們的實驗中，研究者將石墨烯層鋪在矽波導上以組裝光學調變器。研究者能夠達到 1 GHz 的調變速度，不過他們提到，單個調變器的速度在理論上可高達 500 GHz。

雖然基於光的元件有許多優點勝過那些使用電的，包括更迅速地乘載更稠密的資料封包，不過試圖要創造出與電腦晶片相符的光學互連（optical interconnects），卻因為光電元件需要相對大量的空間而受阻。

研究者提到，光波在緊密的空間中比它們的電子相對物更不靈敏（agile），所以基於光子的應用主要都受限在大型裝置上，例如光纖線路。

"電子可輕易做出 L 形迴轉（turn），因為其運作波長很小，" Zhang 說。"光波長一般來說比較大，所以它們需要較多空間來調動。那好像讓一部加長型禮車（limo）而非摩托車在角落掉頭。這也是為何光需要大量鏡子來控制其運動。將光學裝置縮小也能使它更快，因為石墨烯的單個原子層能大幅減少電容 -- 維持店荷的的能力 -- 那通常會妨礙裝置速度。

研究者說，基於石墨烯的調變器能克服光學裝置的空間障礙。他們成功將石墨烯基光學調變器縮小至 25 平方微米，大小約比人類頭髮小 400 倍。典型商業調變器的基座可達幾平方公釐。

即便在這麼小的尺寸下，石墨烯在頻寬容量上仍然威力驚人。石墨烯能吸收範圍很廣的光譜，範圍橫跨數千奈米，從紫外線到紅外線。這使得石墨烯承載的資料比當前最先進的調變器（那在多達 10 奈米的頻寬下運作）還要更多，研究者表示。

"基於石墨烯的調變器不僅讓調變速率增加，它們還能讓更大量的資料被塞入每道脈衝中，" Zhang 說。"我們擁有的並非寬頻而是「極頻（extremeband）」。我們在這瞧見的、基於石墨烯調變器的進步是大幅改善，不僅是在消費性電子裝置，還包括任何為資料傳輸速度所限的領域，包括生物資訊學與天氣預測。我們希望在未來幾年看見這種新裝置的工業應用。"

※ 相關報導：

＊ A graphene-based broadband optical modulator
http://dx.doi.org/10.1038/nature10067