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电子科技：下一代通信技术的性能飞跃
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电子科技：下一代通信技术的性能飞跃
图 1：基于石墨烯的电吸收调节剂的艺术插图。 图片来源：ICFO/D. Alcaraz
在过去的几年中，全球数据流量蓬勃发展，全世界有超过125亿台互联设备。当前在全球范围内部署的5G电信标准引发了对具有更高性能（例如更高的速度，更低的功耗，更低的成本以及更易制造的性能）的小型设备的需求。
为了寻找合适的技术，光子器件已经超越了当前微电子和CMOS技术的能力，成为信息和通信技术发展的领先技术。
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，电吸收（EA）调制器通过光导纤维来调制通过的光的振幅。
迄今为止，硅和石墨烯被证明是用于光学调制和检测的最具可扩展性的材料，且具有成本效益并且与CMOS技术兼容，得到了重点关注。基于石墨烯的调制器显示出了宽频的光学带宽和温度稳定性，但是在某些情况下，由于石墨烯的质量有限以及石墨烯和电介质之间的组合，它们无法同时展现高速和高调制效率的性质。
在《自然·通讯》上发表的一项研究中，由ICFO教授Frank Koppens带领的ICREA研究人员Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI与比萨大学，CNIT，根特大学-IMEC和NIMS的研究人员，合作报道了新型EA调制器能够在保持高速的同时，静态和动态调制效率提高了三倍，该效率超过了先前报道的石墨烯EA调制器的值。
为了实现这一目标，研究人员通过将同样用于微电子学中的高质量的石墨烯和高k（电介质常数）的电介质相结合，开发了高质量的石墨烯电吸收调制器。通过将石墨烯与二维六角形氮化硼（hBN）的电介质材料集成在一起，可以得到高质量的石墨烯。有趣的是，该团队随后能够在两层氮化硼之间添加高k的电介电材料HfO2，从而允许以较小的电压工作，同时高质量的石墨烯使其表现出了对称和无滞后的性质。通过这样，电介质组合能够增强EA调制器的电容，而不会损害器件抵御高压的坚固性，保留了电荷载体的高迁移率（提高调制效率），同时保持低掺杂水平。
图 2：实验室中正在研究基于石墨烯的电吸收调制器芯片。 图片来源：ICFO
正如ICFO的研究人员，该研究的第一作者Hitesh Agarwal所说：“由于将石墨烯集成到CMOS生产线中的主要瓶颈之一是其与高k氧化物的不相容性，这促使我们构建了hBN-HfO2-hBN的结构。我们不仅实现了高调制效率（由于具有高K介电常数），而且还实现了更高的速度（由于提高了迁移率）。”
ICFO的博士后研究员，该研究的通讯作者贝纳特·特雷斯（BernatTerrés）补充说：“我们已经等了一段时间才能看到石墨烯在应用中展现出出色的基本功能”。他还强调说：“光电材料是首批克服了当前最先进技术的二维材料之一，为其他商业应用带来了令人鼓舞的前景”。
总而言之，使用双层石墨烯系统，该器件性能优于以前的调制器，目前为止可在高速下运行，同时保持很高的调制效率，低功耗。达到突破记录的39GHz带宽，运行速度高达40Gbps，从而克服了基本限制。
这种设备与硅技术和微电子技术的兼容性，可以促进我们当今在光子行业所面临的规模改进，并可以在电子和光电子应用中将这种类型的技术实现更大范围的功能。这样的结果无疑有益于高速和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。
图 3：自动驾驶汽车 图片来源：technyl.com
这项研究的合作者，CNIT研究员，石墨烯旗舰项目的工作组负责人Marco Romagnoli评论说：“这项超快电吸收调制器的新科学成果为速度的连续竞赛铺平了道路，展示了由石墨烯和二维材料所实现的最高电光带宽。此外，这项工作也是完全三维集成的第一个示例。该完全三维集成是通过组装不同类型的二维材料来完全实现的，从而证明了这些新路线在集成电路微制造中的潜力。”
此外，诺基亚贝尔实验室的Wolfgang Templ强调说：“这项工作表明，高质量双层封装石墨烯结构的2-D-3-D电介质集成可以为实现新的高性能和微型化电吸收调制器（EAMs）开辟道路。电吸收调制器（EAMs），可以与硅电子器件组合成最先进的高度集成的光子电路。
最后，ICFO的ICREA教授和石墨烯旗舰项目的工作包负责人Frank Koppens指出：“数据流量正在迅速增长，并将通过自动驾驶汽车等方式极大地造福于社会。但是，高数据流量的功耗是需要解决的关键挑战。我很高兴看到，在这项工作中，具有更低功耗的石墨烯调制器可以同时解决两个社会挑战。”
翻译：陈丹
审校：汪茹
引进来源：ICFO
引进链接：https://techxplore.com/news/2021-02-graphene-modulators-datacom-telecom.html
本文来自：环球科学
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图 1：基于石墨烯的电吸收调节剂的艺术插图。 图片来源：ICFO/D. Alcaraz
在过去的几年中，全球数据流量蓬勃发展，全世界有超过125亿台互联设备。当前在全球范围内部署的5G电信标准引发了对具有更高性能（例如更高的速度，更低的功耗，更低的成本以及更易制造的性能）的小型设备的需求。
为了寻找合适的技术，光子器件已经超越了当前微电子和CMOS技术的能力，成为信息和通信技术发展的领先技术。
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，电吸收（EA）调制器通过光导纤维来调制通过的光的振幅。
迄今为止，硅和石墨烯被证明是用于光学调制和检测的最具可扩展性的材料，且具有成本效益并且与CMOS技术兼容，得到了重点关注。基于石墨烯的调制器显示出了宽频的光学带宽和温度稳定性，但是在某些情况下，由于石墨烯的质量有限以及石墨烯和电介质之间的组合，它们无法同时展现高速和高调制效率的性质。
在《自然·通讯》上发表的一项研究中，由ICFO教授Frank Koppens带领的ICREA研究人员Hitesh Agarwal，BernatTerrés，Lorenzo OrsinI与比萨大学，CNIT，根特大学-IMEC和NIMS的研究人员，合作报道了新型EA调制器能够在保持高速的同时，静态和动态调制效率提高了三倍，该效率超过了先前报道的石墨烯EA调制器的值。
为了实现这一目标，研究人员通过将同样用于微电子学中的高质量的石墨烯和高k（电介质常数）的电介质相结合，开发了高质量的石墨烯电吸收调制器。通过将石墨烯与二维六角形氮化硼（hBN）的电介质材料集成在一起，可以得到高质量的石墨烯。有趣的是，该团队随后能够在两层氮化硼之间添加高k的电介电材料HfO2，从而允许以较小的电压工作，同时高质量的石墨烯使其表现出了对称和无滞后的性质。通过这样，电介质组合能够增强EA调制器的电容，而不会损害器件抵御高压的坚固性，保留了电荷载体的高迁移率（提高调制效率），同时保持低掺杂水平。
图 2：实验室中正在研究基于石墨烯的电吸收调制器芯片。 图片来源：ICFO
正如ICFO的研究人员，该研究的第一作者Hitesh Agarwal所说：“由于将石墨烯集成到CMOS生产线中的主要瓶颈之一是其与高k氧化物的不相容性，这促使我们构建了hBN-HfO2-hBN的结构。我们不仅实现了高调制效率（由于具有高K介电常数），而且还实现了更高的速度（由于提高了迁移率）。”
ICFO的博士后研究员，该研究的通讯作者贝纳特·特雷斯（BernatTerrés）补充说：“我们已经等了一段时间才能看到石墨烯在应用中展现出出色的基本功能”。他还强调说：“光电材料是首批克服了当前最先进技术的二维材料之一，为其他商业应用带来了令人鼓舞的前景”。
总而言之，使用双层石墨烯系统，该器件性能优于以前的调制器，目前为止可在高速下运行，同时保持很高的调制效率，低功耗。达到突破记录的39GHz带宽，运行速度高达40Gbps，从而克服了基本限制。
这种设备与硅技术和微电子技术的兼容性，可以促进我们当今在光子行业所面临的规模改进，并可以在电子和光电子应用中将这种类型的技术实现更大范围的功能。这样的结果无疑有益于高速和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。
图 3：自动驾驶汽车 图片来源：technyl.com
这项研究的合作者，CNIT研究员，石墨烯旗舰项目的工作组负责人Marco Romagnoli评论说：“这项超快电吸收调制器的新科学成果为速度的连续竞赛铺平了道路，展示了由石墨烯和二维材料所实现的最高电光带宽。此外，这项工作也是完全三维集成的第一个示例。该完全三维集成是通过组装不同类型的二维材料来完全实现的，从而证明了这些新路线在集成电路微制造中的潜力。”
此外，诺基亚贝尔实验室的Wolfgang Templ强调说：“这项工作表明，高质量双层封装石墨烯结构的2-D-3-D电介质集成可以为实现新的高性能和微型化电吸收调制器（EAMs）开辟道路。电吸收调制器（EAMs），可以与硅电子器件组合成最先进的高度集成的光子电路。
最后，ICFO的ICREA教授和石墨烯旗舰项目的工作包负责人Frank Koppens指出：“数据流量正在迅速增长，并将通过自动驾驶汽车等方式极大地造福于社会。但是，高数据流量的功耗是需要解决的关键挑战。我很高兴看到，在这项工作中，具有更低功耗的石墨烯调制器可以同时解决两个社会挑战。”
翻译：陈丹
审校：汪茹
引进来源：ICFO
引进链接：https://techxplore.com/news/2021-02-graphene-modulators-datacom-telecom.html
本文来自：环球科学
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