我国与海外合作者在新型光晶体管器件研究领域取得进展

图 （a）极化激元晶体管的基本原理图，（b）极化激元晶体管光学显微镜照片

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51925203、52072083、62075070、51902065）等资助下，国家纳米科学中心戴庆研究员团队在新型光晶体管器件方面取得进展。相关研究成果以“电栅极可调的中红外极化激元负折射（Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons）”为题，于2023年2月10日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adf1251。

　　光电融合芯片基于光电互联（电—光—电转换）原理，发挥光传输、电计算的优势，成为后摩尔时代的重要技术路线。光电互联技术相当于光电两条高速公路交汇的收费站，而现有硅基光电集成方案存在转化效率低、光模块体积难以缩小等瓶颈问题，严重制约芯片内部的信息流转。

　　为此，该研究团队以攻克芯片高速光电互联这一世界技术难题为目标，率先提出利用纳米材料的表面波（极化激元）作为媒介实现高效光电互联的新思路。构筑电-极化激元-光转换路径，相当于将红绿灯路口改造成立交桥，具有显著优势：1.效率高。光/电激发材料表面波的效率相比光电效应提升潜力巨大。2.集成度高。光波转化成材料表面波可将波长压缩百倍，轻松突破衍射极限，从而显著提升光模块集成度。3.算力强。材料表面波具有光子性质可进行高效并行计算，从而将现有光电融合的“光传输、电计算”拓展成为“光传输、电计算+光计算”，实现“1+1>2”的效果。

　　在前期研究基础上，该研究团队设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能（图）。该晶体管可实现光正负折射的动态调控，类似电子晶体管能切换（1,0）两个高低电位，为构筑与非门等光逻辑单元提供重要基础。利用范德华层状材料的极化激元晶体管尺寸仅为0.01 mm²，面积是现有光调制器的百分之一，且传输损耗降低了10倍。

　　该研究利用材料表面波可在纳米尺度实现高效光电调制功能，为构筑高集成度光电融合芯片提供了新路径，为聚焦极化激元逻辑器件的研制，实现芯片内“光传输、电计算+光计算”这一世界难题提供了解决方案。