石墨烯是一種二維納米碳材料, 在電學, 光學和熱學方面具有獨特性質, 可應用於光電子器件. 基於石墨烯的黑體發射器在近紅外和中紅外波段也是一種有前途的矽基晶片發射器. 雖然石墨烯黑體發射器在穩態條件或相對較慢的調製 (100kHz) 頻率條件下的特性已被證實, 但是這些發射體在高速調製下的瞬態特性迄今尚未報道. 而且, 石墨烯基發射器的光通信從未被證實.
近日, 日本科學技術局示了一個基於石墨烯的高度整合, 高速矽基晶片黑體發射器, 工作波段在近紅外區域, 包括電信波段. 該發射器具有約為100 皮秒的快速響應時間, 比之前石墨烯基發射器高約105倍. 該響應時間已經在單層和多層石墨烯上得到驗證, 並可以通過石墨烯與襯底接觸情況來控制, 這取決於石墨烯的層數. 研究人員通過考慮發射體包括石墨烯和襯底的熱模型對熱傳導方程進行理論計算, 闡明了該發射器高速發射的機理. 類比結果表明, 快速響應特性的實現不僅可通過經典熱傳遞, 包括石墨烯的面內熱傳導以及向襯底的熱耗散, 而且可通過經由襯底表面極性聲子 (SPoPh) 的遠程量子熱傳遞.
此外, 該研究首次通過實驗驗證了石墨烯基發光器可進行即時光通信, 證明石墨烯發射器是光通信的新型光源. 此外, 研究人員利用化學氣相沉積 (CVD) 方法生長的大規模石墨烯製造了整合二維陣列發射器, 在空氣中對其進行表面修飾. 由於其封裝尺寸小且是平面設備結構, 因此將該發射器與光纖進行直接耦合.
石墨烯發光器與常規化合物半導體發射器相比具有極大優勢, 因為石墨烯發射製造過程簡單, 可通過漸逝場與矽波導直接耦合, 因此它們可以高度整合在矽晶片上. 由於石墨烯可以實現高速, 小尺寸和矽基晶片發射器, 這對於化合物半導體來講仍然是一個挑戰, 因此石墨烯基發射器可以為高度整合的光電子和矽光子學開闢新的途徑.