下一代数据通信和电信中石墨烯调制器的性能飞跃

在过去的几年中，全球数据流量蓬勃发展，全世界有超过125亿台互联设备。当前在全球范围内部署的5G电信标准引发了对具有更高性能（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）的小型设备的需求。

为了寻找合适的技术，光子器件已经成为信息和通信技术发展的领先技术，已经超越了当前的微电子和CMOS技术的能力。


基于石墨烯的电吸收调节剂的艺术插图。

光通信系统依赖于三个基本组件：调制器，波导和光电探测器。光调制是光子集成电路的关键，因为它允许在单个通道上同时传输多个信号。更具体地，电吸收（EA）调制器调制通过光波导的光的幅度。

迄今为止，硅和石墨烯已赢得竞争，因为它们被证明是用于光学调制和检测的最具可扩展性，成本效益和CMOS兼容的材料。基于石墨烯的调制器已经显示出宽带光学带宽和温度稳定性，但是在某些情况下，由于石墨烯的质量有限以及石墨烯和电介质之间的组合，它们无法同时显示高速和高调制效率材料。

在《Nature Communications》上发表的一项研究中，ICFO研究人员Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI由ICFO教授Frank Koppens领导，与比萨大学，CNIT，根特大学-IMEC和NIMS的研究人员合作新型EA调制器能够在保持高速的同时显示静态和动态调制效率提高3倍，该值超过了先前报道的石墨烯EA调制器的值。

为了实现这一目标，研究人员团队通过将高质量的石墨烯和高k电介质相结合，开发了一种基于石墨烯的高质量电吸收调制器，该微电子技术也使用了该材料。通过将石墨烯与2d材料介电六角形氮化硼（hBN）集成在一起，可以实现高质量的石墨烯。有趣的是，该团队随后能够添加夹在两层氮化硼之间的高k介电材料HfO2，从而允许以较小的电压工作，同时由于实现了对称性和无滞后性，高质量的石墨烯。这样一来，电介质组合就可以增强EA调制器的电容，而不会损害器件抵抗高压的坚固性，


实验室中正在研究基于石墨烯的电吸收调制器芯片。

正如ICFO的研究人员，该研究的第一作者Hitesh Agarwal所说："由于石墨烯与CMOS晶圆生产线集成的主要瓶颈之一是其与高k氧化物的不相容性，这促使我们构建了hBN结构-HfO2-hBN。不仅我们实现了高调制效率（由于具有高K介电常数），而且还实现了更高的速度（由于提高了迁移率）。"

ICFO的博士后研究员，该书的通讯作者贝纳特·特雷斯（BernatTerrés）补充说："我们已经等了一段时间才能看到石墨烯在应用中释放的出色基本功能"。他还强调说："光电器件是这种二维材料克服了当前最先进技术的首批产品之一，为其他商业应用带来了令人鼓舞的前景"。

总而言之，该设备能够胜过以前的调制器，在高速下运行，同时保持非常高的调制效率，低功耗，创纪录的39GHz带宽，运行速度高达40Gbps，从而克服了基本限制。到目前为止，是使用双层石墨烯系统获得的。

这种设备与硅技术和微电子技术的兼容性可以促进我们当今在光子行业所面临的规模改进，并可以在电子和光电子应用中将这种类型的技术实现更大范围的功能。这样的结果无疑可以使高速和低延迟光网络的应用受益，例如自动驾驶汽车，远程手术，物联网等。

这项研究的合作者，CNIT研究员，石墨烯旗舰项目的工作组负责人Marco Romagnoli评论说："这项超快电吸收调制器的新科学成果为速度的连续竞赛铺平了道路，展示了所实现的最高电光带宽此外，这项工作也是完全3-D集成的第一个示例，该完全3-D集成是通过组装不同类型的2-D材料来完全实现的，从而证明了这些新路线在集成电路微制造中的潜力。"

此外，诺基亚贝尔实验室的沃尔夫冈·坦普尔（Wolfgang Templ）强调说："这项工作表明，所讨论的高质量双层封装石墨烯结构的2-D-3-D介电集成可以为实现新的高性能和微型化技术开辟道路。尺寸的电吸收调制器（EAM），可以与基于Si的电子器件组合成最先进的高度集成的光子电路。

最后，ICFO的ICREA教授和石墨烯旗舰项目的工作包负责人Frank Koppens指出："数据流量正在迅速增长，并将通过使自动驾驶汽车等方式极大地造福于社会。但是，高数据流量的功耗，这是需要解决的关键挑战。我很高兴看到，如本文所示，具有更低功耗的基于石墨烯的调制器可以同时解决两个社会挑战。"