美國研究人員將石墨烯(graphene)與光子晶體奈米空腔(photonic crystal nanocavity)耦合，成功製作出新型的石墨烯電光調制器(electro-optic modulator)。此裝置具有超過10 dB的調制能力，並且可望開創新一代的低功率小型調制器。
石墨烯為單原子厚的平面碳材料，具有許多優異的物理與機械性質，是理想的光電應用材料，其優點之一為電荷載子(電子與電洞)能以極高速度在材料內運動。石墨烯同時擁有寬廣的光吸收頻譜，範圍從可見光至紅外光，涵蓋光通訊應用的重要波段；三五族半導體在這方面相形見絀。此外，石墨烯對光的反應非常快，因此可望用來製作前所未見的超快光學通訊元件。
最近，哥倫比亞(Columbia)大學的Dirk Englund等人耦合矽光子晶體奈米空腔至石墨烯上，打造出一種新型的電光調制器。在該團隊先前的研究中，其石墨烯奈米空腔系統可吸收超過45%的入射光。在此新實驗中，研究人員利用聚合物電解質在石墨烯上製作閘極，藉此在碳材料內產生強電場及大量電荷載子。此方法同時將石墨烯的費米能(Fermi level)提升達0.85 eV，並在材料的帶間躍遷(interband transition)中造成庖立阻斷(Pauli blocking)，因而大幅提升耦合奈米空腔所反射的光量。庖立阻斷發生於電子或電洞因軌域被占據而無法再進一步激發，因此允許光子通過。
Englund表示，他們的研究顯示石墨烯高對比光電調制器能建構於光子積體電路上，並且運作起來耗能極低。又由於石墨烯能強烈吸收光子，即使裝置的空腔品質因子(quality factor, Q)相對偏低，仍可獲得高對比。元件在300 GHz左右有相當大的操作頻寬，所以較不易受熱波動的影響；相形之下，一般高Q值的電折射調制器(electro-refractive modulator)(如矽環)利用自由載子運作，非常容易受熱波動的干擾。
該研究團隊目前正著手打造新裝置，在矽共振器中加入電接點以控制石墨烯的特性。他們預期這種調制器的操作速度可超過10 GHz，甚至更多。詳見Nano Lett｜DOI: 10.1021/nl304357u。
原始網站:http://nano.nchc.org.tw/
譯者:翁任賢(成功大學物理研究所)
責任編輯:蔡雅芝