超快芯片大门开启:科学家开发出石墨烯-硅光电混合芯片

据物理学家组织网报道，美国哥伦比亚大学一项新研究证明石墨烯具有卓越的非线性光学性能，并据此开发出一种石墨烯-硅光电混合芯片。这种硅与石墨烯的结合，让人们离超低功耗光通信近了一步，让该技术在光互连以及低功率光子集成电路领域具有广泛的应用价值。相关论文发表在《自然·光学》杂志网站上。

该研究团队由哥伦比亚大学的工程师和新加坡微电子研究所的研究人员组成。他们通过放置一个碳原子厚度的石墨烯薄片，成功将不发生光电或电光转换的无源器件，转化成为一个可发射微波光子信号、对波长进行转换的有源器件。

新器件所具备的非线性光学性能能改变系统参数（如透射比和波长转换）和输入功率水平。团队还发现，在这种由光驱动的混合芯片上存在电子和热响应，能发射出无线电信号，并可通过激光进行调制。在使用不同光学频率对无线电信号进行调制后，石墨烯-硅混合芯片能够产生完美的无线电谐振，且其所需功率比其他科学家用纯硅电路实现的低50倍。

研究人员称，他们通过将两种电磁场的混合产生了一个新的光频，使用其传输信号时所需能源远低于纯硅电路，并在实验中发现了四波混频现象。这使这种混合结构可成为处理大量光学信号的平台。而直到不久前，使用石墨烯的类似应用还只停留在微米尺度的芯片上，极大限制了这种材料性能的发挥。

领导该研究的哥伦比亚大学机械工程学教授黄志伟（音）表示，石墨烯扮演了重要的角色，极大地提高了原有组件的非线性光学性能，使其具备了数字开关切换功能和存储能力。参与研究的顾婷怡（音）称：“我们已经能够对石墨烯的非线性性能做出证明和解释，这种石墨烯-硅混合芯片在实验中表现出了卓越的性能，未来或将成为构建速度更快、效率更高的现代电信组件的基础。”

哥伦比亚大学副教授詹姆斯·霍恩表示，目前石墨烯大面积、大批量的合成和生产已经成为了现实，为此类新型芯片的生产提供了基础。而物理和应用物理学教授飞利浦·金认为，此次的出色工作表明，当石墨烯与硅结合后是一种独特的光电材料，其具备的超快非线性光学调制性能，将为超快芯片、高速光通信等许多新颖的应用打开大门。