当石墨烯遇到慢光：打造世界最佳纳米热电极

　　来自华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员董建绩教授对集成光子器件的调控问题进行长期实践与探索后提出，将石墨烯与慢光效应相结合是解决这个问题的一个有效方案。

　　因为相比于传统的金属电极，由于石墨烯对光极低的吸收率，使得石墨烯作为热电极可以紧紧的贴合在光波导的表面，而几乎不用考虑石墨烯对光的吸收所带来的损耗，避免了氧化层带来的热能损耗；同时，石墨烯极高的导热系数意味着它能以极快的速度将热运送至光波导上，使得调控速度大大提高。

　　

　　图1 慢光增强的石墨烯热电极结构示意图与扫描电子显微镜图

　　更为巧妙的是，通过将传统的普通光波导设计成具有特殊能带结构的光子晶体波导后，再将石墨烯放置在光子晶体波导上，石墨烯热电极的性能可以得到进一步的大幅度提升，如图1所示。这是由于在光子晶体波导中，光在其中的传播速度被减缓至真空中的1/30，这使得光信号的有效加热长度大大增加，从而进一步大幅度降低了对光信号调控所需的能耗。

　　基于以上的理论支持，张新亮教授团队成员董建绩教授和丹麦技术大学（DTU）丁运鸿博士、AsgerMortensen教授开展合作研究，制作出了慢光增强的石墨烯热电极器件。器件的测试结果显示（图2），慢光增强的石墨烯器件的热调效率高达1.07 nm·mW-1，相比于无慢光增强的器件提高了近一倍，使得光信号达到2p相移所需的能耗仅为3.99 mW，低于绝大多数传统工艺制作的金属热电极的能耗；

　　同时，光信号开关速度快至550 ns，相比于传统的金属热电极的调制速度加快了近3个数量级，是迄今所报道的调控速度最快的纳米热电极。

　　此外，该器件的综合评价指标（FOM）为2.543nW·s，比已经报道的性能最佳的纳米电极的综合评价指标高30倍，被评价为迄今为止综合性能最佳的纳米热电极。

　　考虑未来大规模集成光子回路中各种调控单元需要用到大量的微纳加热器，在能耗和调控速率上存在诸多挑战，因此本项研究成果有望在未来的大规模光子集成回路如集成化相控阵雷达、光学任意波形产生器等通信、国防关键器件上得到广泛应用。

　　

　　图2慢光增强的石墨烯热电极测试结果图

　　该项成果于2017年2月9日发表于世界顶级综合类学术期刊《Nature Communications》（全文链接为：http://rdcu.be/o8w3），博士生严思琦为该研究论文第一作者，董建绩教授、丁运鸿博士为通讯作者。该项研究得到了中国国家自然科学基金（No. 61622502和61475052），丹麦独立研究基金 （DFF-1337−00152 和DFF-1335−00771）和丹麦国家研究基金项目（Project DNRF103）的支持。