Only Perception: 石墨烯--矽光迴路中的超低功率光資訊處理與頻率生成

2012-07-16

石墨烯--矽光迴路中的超低功率光資訊處理與頻率生成

Ultralow-power optical information processing and frequency generation in graphene-silicon photonic circuits
http://phys.org/news/2012-07-ultralow-power-optical-frequency-graphene-silicon-photonic.html

July 15, 2012

Columbia Engineering 所完成的新研究證明非凡的石墨烯光學非線性行為，可能導致在光互連（optical interconnects）與低功率光積體電路中的廣泛應用。以一個碳原子厚的石墨烯薄片取代後，研究者將原本的被動裝置轉變成主動裝置，那產生微波光訊號並在電信波長下進行參數波長轉換（parametric wavelength conversion）。

"我們能證明與解釋來自石墨烯的強烈非線性反應，在這種新混合裝置裡，那是關鍵元件，" Tingyi Gu 說，研究的第一作者以及電機工程博士候選人。"證明石墨烯--矽混合光晶片的功率效率，在全光學處理元件的建構上是很重要的一步，那對於更快、更有效率的現代電信事業而言不可或缺。且能探索石墨烯驚人傳導特性的「魔法」並看看石墨烯如何能提昇光學非線性（optical nonlinearity） -- 一種為數位化 on/off 二態切換以及記憶所需的特性 -- 著實令人振奮。"

這項研究，由 Chee Wei Wong （機械工程教授、整合科學與工程暨固態科學與工程中心主任）所領導，將於 7/15 以 AOP 形態線上發表在 Nature Photonics 網站上，八月號則會刊出印刷版。來自 Columbia Engineering 與新加坡微電子研究所（IME）的研究團隊合作研究光學物理、材料科學以及裝置物理學（device physics）以開發次世代光電元件。

他們設計出一種石墨烯--矽裝置，其光學非線性使系統參數（諸如穿透率 [transmittance] 與波長轉換）得以用輸入功率位準（power level）改變。研究者亦能觀察到，在矽晶片中以光學方式驅動電與熱反應，他們能在傳輸雷射光束上產生一種射頻載體（radio frequency carrier）並以雷射強度及顏色控制其調變。利用不同的光頻率來調整射頻，他們發現石墨烯--矽混合晶片能達成「射頻產生」，且其共振品質因子（resonant quality factor）比其他科學家用矽所達成的還要低 50 倍以上。

"我們非常振奮，能在這些石墨烯--矽光子晶體奈米共振腔（photonic crystal nanocavities）中觀察到四波混頻（four-wave mixing），" Wong 說。"我們在低運作能量下，透過二電磁場的非線性混頻產生新光頻，能減少每資訊位元的耗能。這使得這種混合矽結構能成為全光學資料處理的平台，在密集光迴路（dense photonic circuits）中擁有密實的零件外觀（footprint）。"

Wong 讚賞其傑出學生在這項特殊研究上的優異表現，並補充道︰"就在 Columbia Engineering 的我們，很幸運能有專門知識將石墨烯中的光學非線性與晶片級的光迴路結合，以新穎的方式產生微波光訊號。"

直到最近，研究者只能把石墨烯當成微米級尺寸的單晶分離，基本上使這種材料的研究被侷限在實驗室內。"能合成大面積的石墨烯薄膜對於這些經證實的、基於石墨烯技術的商業化製造，有顯著影響，" James Hone 解釋，機械工程副教授，其團隊為這項研究提供高品質的石墨烯。"而大面積的石墨烯薄膜也使得需要大尺寸石墨烯樣本的新裝置開發及基礎科學研究成為可能。大面積石墨烯薄膜使「新穎光電裝置的製造」成為可能，那從而得以「進行科學現象的研究」，這項研究是二者之間一個令人振奮的例子。"

UCB NSF 奈米級科學與工程中心主任，Xiang Zhang 評論這項研究，他說："在石墨烯與矽光子晶體的整合上，這項新研究令人振奮。這項研究證明，，在超低功率 on-chip 光學通訊上，利用石墨烯在矽光子學中的大規模非線性反應，將會是一種有前途的方法。"

"石墨烯已被視為一種神奇的電子材料，在此，電子如同原子薄層內，一種有效率的無質量粒子般移動，" Philip Kim 提到。他是 Columbia 物理與應用物理學教授，石墨烯研究的早期先鋒之一，他發現石墨烯的低溫高導電性。"而現在，這項由 Columbia 研究者所完成的新近優異研究證明，當石墨烯與矽光子晶體構造結合時，亦是一種獨特的、具超快速非線性光學調變的光電材料。這替許多新穎的光電裝置應用，例如超快的晶片級高速光學通訊，開啟一扇重要的門。"

※ 相關報導：

＊ Regenerative oscillation and four-wave mixing in graphene optoelectronics
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2012.147

T. Gu, N. Petrone, J. F. McMillan, A. van der Zande, M. Yu,
G. Q. Lo, D. L. Kwong, J. Hone, C. W. Wong
Nature Photonics (2012)
doi: 10.1038/nphoton.2012.147