新型光晶體管器件研究新進(jìn)展

[本刊訊] 經(jīng)過(guò)十多年的不懈努力，國(guó)家納米科學(xué)中心戴慶研究員團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)極化激元高效激發(fā)和長(zhǎng)程傳輸?shù)幕A(chǔ)上，成功創(chuàng)制“光晶體管”，實(shí)現(xiàn)納米尺度光正負(fù)折射調(diào)控，顯著提升了納米尺度光操控能力。相關(guān)研究成果以“電柵極可調(diào)的中紅外極化激元負(fù)折射”為題，于2023年2月10日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）周刊上。

與電子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等優(yōu)勢(shì)，在大幅提升信息處理能力方面具有很大潛力。因此，光電融合系統(tǒng)被認(rèn)為是構(gòu)建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。但由于光子不攜帶電荷且光的傳輸受限于光學(xué)衍射極限，與能輕易調(diào)控的電子相比，對(duì)光子的納米尺度調(diào)控并不容易。如何在納米尺度對(duì)光進(jìn)行精準(zhǔn)操控是其中最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。

光電互聯(lián)技術(shù)相當(dāng)于光電兩條高速公路交匯的收費(fèi)站，而現(xiàn)有硅基光電集成方案存在轉(zhuǎn)化效率低、光模塊體積難以縮小等瓶頸問(wèn)題，嚴(yán)重制約芯片內(nèi)部的信息流轉(zhuǎn)。該團(tuán)隊(duì)率先提出利用納米材料的表面波（極化激元）作為媒介實(shí)現(xiàn)高效光電互聯(lián)的新思路，相當(dāng)于將原來(lái)的收費(fèi)站改造成立交橋，從而大幅增加傳輸通道和提升信息處理的速度。電—極化激元—光轉(zhuǎn)換路徑的顯著優(yōu)勢(shì)有：①效率高，光/電激發(fā)材料表面波的效率相比光電效應(yīng)提升潛力巨大；②集成度高，光波轉(zhuǎn)化成材料表面波可將波長(zhǎng)壓縮百倍，輕松突破衍射極限，從而顯著提升光模塊集成度；③算力強(qiáng)，材料表面波具有光子性質(zhì)可進(jìn)行高效并行計(jì)算，從而將現(xiàn)有光電融合的“光傳輸、電計(jì)算”拓展成為“光傳輸、電計(jì)算+光計(jì)算”，達(dá)到“1+1>2”的效果。

極化激元是一種由入射光與材料表界面相互作用形成的特殊電磁模式，具有優(yōu)異的光場(chǎng)壓縮能力，可輕易突破光學(xué)衍射極限，不僅可實(shí)現(xiàn)高效光電互聯(lián)，還可提供額外的信息處理能力，提升光電融合系統(tǒng)的性能。團(tuán)隊(duì)成功獲取了低對(duì)稱極化激元的影像，證實(shí)了近場(chǎng)“軸色散”效應(yīng)，揭示了一種新的納米尺度上實(shí)現(xiàn)光子操控的可行路徑。同時(shí)，通過(guò)大幅提高納米尺度的光子精確操控水平，成功將10微米波長(zhǎng)的紅外光壓縮成幾十納米波長(zhǎng)的極化激元，并調(diào)控性能，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的能量聚焦和定向傳播。

在前期研究的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了用一種極化激元調(diào)控另一種極化激元開關(guān)的“光晶體管”功能。充分發(fā)揮了不同材料的納米光子學(xué)特性，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學(xué)方案在波段、損耗、壓縮和調(diào)控等多個(gè)方面的性能瓶頸。

該研究利用材料表面波可在納米尺度實(shí)現(xiàn)高效光電調(diào)制功能，為構(gòu)筑高集成度光電融合芯片提供了新路徑，為聚焦極化激元邏輯器件的研制，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)“光傳輸、電計(jì)算+光計(jì)算”這一世界難題提供了解決方案。

（曉 工）