东南大学倪振华/王俊嘉团队: 更高效率+更快速度的石墨烯-硅集成调制器

研究背景

石墨烯-硅异质集成的新概念有望在集成光子电路中实现有效的光调制。然而，在硅基石墨烯调制器的研究中，寻求在效率和速度方面取得重大进展的解决方案仍然是一个非常有趣和重要的话题。同时实现低功耗和紧凑的器件尺寸对于实现适合高速光互连和计算的紧密封装、节能光子电路至关重要。

研究内容

近日，东南大学倪振华、王俊嘉教授和中国电子科技集团第五十五研究所带领研究团队利用金辅助转移方法实现了基于热光学和电吸收效应的石墨烯-硅集成调制器。与其他石墨烯转移方法相比，金辅助方法采用金膜而不是 PMMA 作为支撑层，提供了简化的制造和低接触电阻，得益于此，由金辅助转移实现的石墨烯-硅集成平台支持高性能光调制，展示了更高的效率和更快的调制速度。

Fig.1 Gold-assisted transfer method. The process begins with depositing Au supporting layer on commercial SLG sample grown on copper foil. Then the copper substrate is completely etched by placing it in ammonium persulfate solution for 4 hours. Once the copper etching is complete, the Au-SLG film is transferred in a beaker with DI water and then lifted by the target substrate. When completely dry, the excess Au and graphene films is removed using aqueous acid solution and oxygen plasma etching, respectively.

该项研究展示了一个调制效率为 0.037 nm/mW 的微尺度石墨烯热光调制器，其在 7.54 μm²的面积上具有 67.4 K∙μm³∙mW^-1 的高加热性能，同时实现了一个数据速率达到 56 Gb/s，功耗为 200 fJ/bit 的低功耗高速的石墨烯电吸收调制器。该团队对两种类型的调制器进行了静态和动态电光响应性能评估，结果表明基于金辅助转移法的石墨烯-硅集成调制器展现出优异的调制效率。此外，该团队对器件的高速数据传输能力进行演示，器件表现出可观的潜力。

Fig.2 The graphene TO modulator. a, 3D illustration of the graphene TO micro-ring modulator. b, Cross-section of the device. The white dashed line shows the graphene sheets. c, Waveguide TE-mode profile distribution simulated by finite-different time-domain simulation. d, Temperature rise distribution across the x-y plane for ~1 mW power dissipated in the proposed device. e, Si waveguide transient temperature rise at the point indicated with the red arrow. f, Optical microscope image of the device. Scale bar, 40 μm. g, False-color SEM image of the device. Scale bar, 20 μm.

Fig.3 Electro-optic response of the graphene TO modulator. a, Transmission spectra (colors) for various applied bias voltages (0-5 V). Inset shows the change in the effective refractive index in active area as a function of the bias voltages. b, Wavelength shift of the resonance peaks as a function of the input electrical power to graphene. c, Temperature change in the silicon resonator as a function of the input power to graphene. d, Normalized output intensity from the through port at a rectangular bias signal (1.85−2.15 V) at 50 kHz to graphene.

Fig.4 The graphene EA modulator. a, 3D illustration of the graphene EA modulator. b, Optical microscope image of the device. Scale bar, 100 μm. c, Cross-section of the device. The black dashed line shows the graphene sheets. d, Waveguide TE-mode profile distribution. e, Corresponding transmission at 1550 nm as a function of applied bias voltages. f, Measured electro-optical S₂₁ frequency response of the EA modulator when the bias voltage is 3 V. g-i, NRZ eye diagrams generated at data rates of 40, 48, 56 Gb/s. The white scale bar corresponds to 5 ps.

这种石墨烯-硅异质集成调制器是研究人员探索石墨烯潜力道路上的新阶段，有助于实现低功耗和高速的大规模集成光子电路。该成果以“High efficiency graphene–silicon hybrid-integrated thermal and electro-optical modulators”(《高效石墨烯硅异质集成热和电光调制器》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Nanoscale Horizons 上。

论文信息

High efficiency graphene–silicon hybrid-integrated thermal and electro-optical modulators

Xiaoxuan Wu, Zhengyi Cao, Tianxiang Zhao, Yun Wu,* Zhonghui Li, Spyros Doukas, Elefterios Lidorikis, Yu Xue, Liu Liu, Omid Ghaebi, Giancarlo Soavi, Junpeng Lu, Zhenhua Ni,* and Junjia Wang*（吴云，中电科55所；倪振华、王俊嘉，东南大学）

Nanoscale Horiz., 2024, 9, 1372–1378
https://doi.org/10.1039/D4NH00160E

作者简介

王俊嘉 教授
东南大学

本文通讯作者，东南大学青年特聘教授，博士生导师，江苏省双创人才，华为紫金学者，曾获国家优秀自费留学生奖学金和国际光学工程学会光学与光子学教育奖学金。本科和博士先后毕业于加拿大多伦多大学和麦吉尔大学，并先后在英国南安普顿大学光电子研究中心、剑桥大学石墨烯研究中心等国际一流科研机构担任研究员。长期从事光电子芯片、光电集成技术的研究，在 Nature Nanotechnology、Nano Letters、ACS Photonics 等学术刊物上发表论文近 60 篇。主持国家重点研发计划，参与“光子光速公路”、“石墨烯旗舰”等项目， IEEE Senior Member，并担任Advanced Optical Technologies 编委、Chinese Optics Letters 青年编委。

倪振华 教授
东南大学

本文通讯作者，东南大学电子科学与工程学院院长，国家杰出青年科学基金获得者。2003 年本科毕业于上海交通大学物理系，2007 年于新加坡国立大学物理系获得博士学位。2007、2010 年在新加坡南洋理工大学物理系从事博士后研究工作，并于 2009 年前往英国曼彻斯特大学做访问学者。2014 年获国家自然科学基金“优秀青年科学基金”资助。2018 年入选教育部“ 长江学者奖励计划”青年学者。2022 年获国家自然科学基金“杰出青年科学基金”资助。主要研究方向为二维层状材料的光学与光电性能，发表 SCI 论文 160 余篇，他引 17000 余次，H-index=61，授权专利 10 余项，起草国家标准 4 项，入选 2019 年科睿唯安全球“高被引科学家”。中国物理学会光散射专业委员会委员，国际标准化组织国际电工委员会专家（IECExpert）。全国纳米技术标准化技术委员会委员,微纳米结构与性能工作组副主任，江苏省物理学会电磁材料与器件专委会主任。先后承担了包括国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金等 10 余个国家及省部级科研项目。