韓美聯合開發出調製速率高達10吉赫茲的超快石墨烯基光源

據物理學組織網站2018年2月5日報道，未來光通信技術的關鍵要求之一是開發能夠發射超快光脈衝的納米級光源。在新的研究中，韓國慶熙大學和美國哥倫比亞大學驗證了能發射光脈衝的石墨烯基器件的帶寬高達10吉赫茲，脈衝持續時間短於100皮秒，這表明石墨烯有可能作為這類光源的理想材料。研究成果發表在《納米快報》。

石墨烯是納米光子學中一種重要的新興材料：最近的研究也驗證了基於石墨烯的高速光電探測器和光學調製器。此次工作表明超快石墨烯基光子器件可實現光輻射。

石墨烯良好的熱穩定性和低熱容等性質，使其成為超快光發射器的有前景的候選者。此前研究已證實石墨烯基器件可輻射紅外光和可見光，儘管實現快速開關調製的挑戰依然存在。為解決該挑戰，需要具有高效熱傳導的襯底-支撐器件設計，以在光脈衝之間實現快速冷卻。

為解決這一需求，研究人員將石墨烯封裝在六方氮化硼中。這種封裝使得石墨烯達到足夠高的溫度，以在可見光和近紅外光波段輻射明亮、穩定的光，並且可快速冷卻。預計，該器件壽命至少長達4年。結果表明，該器件可產生超快光脈衝，脈衝持續時間短至90皮秒，與傳統熱輻射器相比，它的調製速率提高了幾個數量級。

光學聲子和聲學聲子可實現高速調製，並且石墨烯中的電子可與光學聲子發生強耦合，但與聲學聲子發生弱耦合。最近研究表明，電子和光學聲子可在石墨烯-六方氮化硼界面處形成混合模式，稱為聲子極化激元，可提供高效近場熱傳輸。弱聲學聲子耦合作用和六方氮化硼中的直接電子弛豫，使得器件能以比利用熱傳導快得多的速度進行冷卻，從而實現高速調製。

超快石墨烯發射器在100吉赫茲以上光通信中具有潛在應用，可延伸到片上光譜學、光電探測器和等離子體激元。此外，該器件也可作為超快加熱器，有助於研究化學反應和相移。下一步，研究人員計划進一步提高器件的光發射性能。

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