極具前景？探索創造光子集成電路

從電子集成電路向更快、更節能、更無干涉光學電路的轉變是光子技術發展的重要目標之一。光子集成電路(PICs)今天已經用於在光網路和通信系統中傳輸和處理信號，包括，例如集成半導體激光器、調製器和光放大器的光信號和微晶元的I/O多路復用器。然而，今天的圖像大多與電子電路結合使用，而純光子器件還沒有競爭力。創建PICs的挑戰之一是製造各種設備(波導耦合器、功率分壓器、放大器、調製器、激光器和單片機上的探測器)的複雜性，因為它們需要不同的材料。在現有的PICs中使用的主要材料是半導體(磷酸銦、砷化鎵、硅)、電光晶體(鈮酸鋰)以及各種類型的玻璃。

博科園-科學科普：為了提高光纖光通量控制的速度，研究人員正在尋找具有高光學非線性的新材料。在有前途的材料中，人們可以特別命名基於新發現材料石墨烯(一層一原子厚的碳原子層)的微波波導。在石墨烯中，電荷載流子濃度可以通過光學泵浦或施加偏壓來有效控制。根據UNN通用物理系負責人Mikhail Bakunov所說：最近的理論和實驗工作顯示了石墨烯中載流子濃度變化超快(涉及幾個光場周期的時間)的可能性，這為操縱由石墨烯表面定向的光波振幅和頻率(等離子體激元)打開了可能性。

圖所示：(a)表面等離子體元沿石墨烯片傳播的示意圖，(b)石墨烯載流子密度的時間依賴性，(c)載流子密度降低時初始等離子體元頻率變換的色散圖。圖片： Lobachevsky University

發展物理模型來描述非平穩石墨烯中的電磁過程具有重要的現實意義。這引起了研究者們越來越多的興趣。米哈伊爾?巴庫諾夫(Mikhail Bakunov)表示：2018年的一項研究結果是，許多論文預測，通過改變石墨烯中的載流子濃度，有可能增強(增加能量)等離子體激元，這對於製造新設備無疑具有吸引力。聯合國大學普通物理系副教授阿列克謝?馬斯洛夫表示：我們的研究旨在開發集成微晶元中超快光子控制的物理原理，換句話說，就是提高微電子和納米電子中使用的微電路和微晶元的性能。

UNN普通物理系的研究人員開發出了一種理論，當石墨烯中的電子濃度隨時間變化時，傳播在石墨烯表面(一層一原子厚的碳原子層)上的光波發生轉換。與以往的研究相比，電子與光場的相互作用得到了精確的考慮。這項研究的結果之一是排除了先前預測通過改變電子濃度來放大光波的可能性。因此，UNN的科學家們對非平穩微波波導中波的動力學有了新認識，從而促進了PICs的發展，研究結果發表在《Optica》上。

博科園-科學科普｜研究/來自：羅巴切夫斯基大學

參考期刊文獻:《Optica》

論文DOI：10.1364/OPTICA.5.001508

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