我國與海外合作者在新型光晶體管器件研究領域取得進展

圖 （a）極化激元晶體管的基本原理圖，（b）極化激元晶體管光學顯微鏡照片

　　在國家自然科學基金項目（批準號：51925203、52072083、62075070、51902065）等資助下，國家納米科學中心戴慶研究員團隊在新型光晶體管器件方面取得進展。相關研究成果以“電柵極可調的中紅外極化激元負折射（Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons）”為題，于2023年2月10日發表在《科學》（Science）雜志上，論文鏈接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adf1251。

　　光電融合芯片基于光電互聯（電—光—電轉換）原理，發揮光傳輸、電計算的優勢，成為后摩爾時代的重要技術路線。光電互聯技術相當于光電兩條高速公路交匯的收費站，而現有硅基光電集成方案存在轉化效率低、光模塊體積難以縮小等瓶頸問題，嚴重制約芯片內部的信息流轉。

　　為此，該研究團隊以攻克芯片高速光電互聯這一世界技術難題為目標，率先提出利用納米材料的表面波（極化激元）作為媒介實現高效光電互聯的新思路。構筑電-極化激元-光轉換路徑，相當于將紅綠燈路口改造成立交橋，具有顯著優勢：1.效率高。光/電激發材料表面波的效率相比光電效應提升潛力巨大。2.集成度高。光波轉化成材料表面波可將波長壓縮百倍，輕松突破衍射極限，從而顯著提升光模塊集成度。3.算力強。材料表面波具有光子性質可進行高效并行計算，從而將現有光電融合的“光傳輸、電計算”拓展成為“光傳輸、電計算+光計算”，實現“1+1>2”的效果。

　　在前期研究基礎上，該研究團隊設計并構筑了微納尺度的石墨烯/氧化鉬范德華異質結，實現了用一種極化激元調控另一種極化激元開關的“光晶體管”功能（圖）。該晶體管可實現光正負折射的動態調控，類似電子晶體管能切換（1,0）兩個高低電位，為構筑與非門等光邏輯單元提供重要基礎。利用范德華層狀材料的極化激元晶體管尺寸僅為0.01 mm²，面積是現有光調制器的百分之一，且傳輸損耗降低了10倍。

　　該研究利用材料表面波可在納米尺度實現高效光電調制功能，為構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，實現芯片內“光傳輸、電計算+光計算”這一世界難題提供了解決方案。