石墨烯基电吸收调制器的艺术插图。信用:ICFO/阿尔卡拉兹在过去的几年里，全球数据流量经历了一个繁荣时期，全球有超过125亿台联网设备。5G电信标准的当前全球部署引发了对具有增强性能的较小设备的需求，例如更高的速度、更低的功耗、更低的成本以及更容易的可制造性。为了寻找合适的技术，光子器件成为这种信息和通信技术发展的领先技术，已经超过了当前微电子和互补金属氧化物半导体技术的能力。
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。光的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。更具体地说，电吸收调制器调制通过光波导的光的振幅。
到目前为止，硅和石墨烯正在赢得这场竞赛，因为它们被证明是用于光学调制和检测的最具可扩展性、成本效益和互补金属氧化物半导体兼容的材料。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，由于石墨烯的有限质量以及石墨烯和介电材料之间的结合，它们不能同时显示出高速和高调制效率。
现在，在发表在《自然通讯》上的一项研究中，由ICFO ICREA大学教授弗兰克·科彭斯领导的ICFO研究人员希特斯·阿加瓦尔、伯纳特·特雷斯、洛伦佐·奥尔西尼与CNIT比萨大学、根特大学-IMEC和NIMS的研究人员合作，报道了一种新型电致发光调制器，该调制器能够在保持高速的同时，静态和动态调制效率提高3倍，这一数值超过了之前报道的石墨烯电致发光调制器。
为了实现这一目标，研究团队通过结合高质量石墨烯和高k介电常数c，开发了一种基于高质量石墨烯的电吸收调制器，该调制器也用于微电子领域。石墨烯的高质量是通过将其与二维材料介电六方氮化硼(hBN)集成而实现的。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，这允许以小得多的电压工作，同时由于石墨烯的高质量，实现了对称和无滞后。通过这样做，电介质组合能够增强电致发光调制器的电容，而不损害器件对高电压的鲁棒性，保持电荷载流子的高迁移率(增加调制效率)，同时保持低掺杂水平。
实验室正在研究石墨烯基电吸收调制器芯片。功劳:into CMOS研究员、该研究的第一作者As Hitesh Ag arwal评论道，“因为石墨烯集成到CMOS晶圆厂生产线的主要瓶颈之一是它与高k氧化物的不兼容性，这促使我们构建了hBN-HfO2-hBN的结构。我们不仅成功实现了高调制效率(由于高介电常数)，而且还实现了更高的速度(由于迁移率的提高)。”
“我们已经等待了一段时间，希望看到石墨烯在应用中释放出的出色的基本能力，”ICFO博士后研究员、该工作的对应作者伯纳特·泰尔雷补充道。他还强调，“光电子学是这种二维材料克服当前最先进技术的首批领域之一，为其他商业应用带来了令人鼓舞的前景”。
总之，该器件能够超越以前的调制器，高速工作，同时保持极高的调制效率和低功耗，实现破纪录的39GHz带宽，最高工作速度可达40Gbps，从而克服了迄今为止双层石墨烯系统的基本限制。
这种器件与硅技术和微电子技术的兼容性可以促进我们目前面临的光子产业的规模改进，并在电子和光电子应用中实现这种类型的技术的更大范围的功能。这些结果肯定会有利于高速低延迟光网络的应用，例如自动驾驶汽车、远程手术、物联网等。
该研究的合作者、CNIT的研究员、石墨烯旗舰产品的工作包负责人马可·罗马尼奥利评论道:“这一超快电吸收调制器的新科学成果为持续的速度竞赛铺平了道路，展示了石墨烯和二维材料实现的最高电光带宽。此外，这项工作也是第一个完全通过组装不同类型的二维材料实现三维集成的例子，证明了这些新路线在集成电路微制造中的潜力。”
此外，来自诺基亚贝尔实验室的Wolfgang Templ强调“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电吸收调制器(EAMs)开辟道路，该调制器可以与硅基电子结合成最先进的高度集成的光子电路”。
最后，ICREA大学ICFO分校教授、石墨烯旗舰产品工作包负责人弗兰克·科彭斯指出，“数据流量正在快速增长，并将极大地造福社会，例如通过实现自动驾驶汽车。然而，高数据流量速率的功耗是一个需要解决的关键挑战。我很高兴地看到，如这项工作所示，功耗低得多的石墨烯基调制器可以同时应对两个社会挑战。”
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