日本東北大學電氣通信研究所教授尾辻泰一的研究小組在2012年3月舉行的“第59屆應用物理學相關聯合演講會”上宣布，“已證實經過光激發后的石墨烯可受激發射（Stimulated Emission）*太赫茲波”注1）。受激發射是形成激光振蕩的必要條件。“在此基礎上適當組合諧振器，便可形成激光振蕩”（尾辻）。
*受激發射＝是指在電子等被激發至高能級的狀態下，從外部照射的電磁波會激發電子的躍遷，從而放射出與射入的電磁波為相同相位、相同頻率的電磁波的現象。
注1）尾辻研究室于2009年6月宣布“使用石墨烯成功受激發射出太赫茲波”，此次進一步收集了多項證據，證實了受激發射現象。
太赫茲波是指頻率在100G～10THz范圍內的電磁波。通過利用太赫茲波，除了能夠實現數據傳輸速度為100Gbit/秒的超高速無線數據傳輸，以及透視信封鑒定內裝藥物的安全用途之外，還有望實現識別癌細胞等醫療應用。瞄準這些應用，業內還積極利用多項關鍵技術對太赫茲波源展開了開展（表1）。
還沒有便于使用的波源
不過，可用于1THz左右的核心頻率區的太赫茲波源的技術尚未確立。具體來說，目前還沒有同時滿足下述4項條件的太赫茲波源。這些條件包括：（1）足夠小的尺寸、（2）輸出功率大、（3）可在室溫下工作，以及（4）可輸出頻率和相位統一的相干波。
雖然通過應用光及紅外線技術開發出來的波源符合大輸出功率的要求，但裝置尺寸多數都很大，而且大多為脈沖輸出，因此不適于數據發送等用途。其中，只有量子級聯激光器（QCL）為小型裝置，具備一定的輸出功率，并且可形成相干波振蕩，但是只能在200K以下的極低溫度下工作。
另外，以電子技術為基礎開發而成的高電子遷移率晶體管（HEMT）及共振隧穿二極管（RTD）盡管能夠在室溫下工作，但并不是相干波，而且輸出功率也較小。尾辻研究室還在開發名為“等離子體共振型太赫茲波發射器（PRT）”的元件。目前已通過芯片陣列化在實現數mW的高輸出功率方面取得了眉目。不過，還不具備相干性。
如果以文章開頭提到的技術為基礎，實現可輸出太赫茲波的石墨烯激光元件的話，便有望開發出首例可同時滿足（1）～（4）項條件的波源。
考慮通過注入電流實現振蕩
考慮通過注入電流實現振蕩
此次日本東北大學證實的是，向石墨烯照射波長1.55μm的紅外線（IR）后，就會受激發射頻率數THz的太赫茲波的現象（圖1）。
圖1：證實光激發后可形成受激發射
日本東北大學尾辻研究室證實的、石墨烯受激發射出太赫茲波的原理（a），以及評測用元件的構造（b）。（a）為4能級系統的受激發射。（b ）CdTe起非線性光學結晶作用。本圖由《日經電子》根據尾辻研究室的資料制成。
下面來簡單解釋一下其機制。在石墨烯內部，受到IR照射后被激發到高能級的電子會以熱量等形式逐漸失去能量。不過，由于失去能量的速度會逐漸變慢，因此載流子會聚集到電子與正孔再結合前的狀態。這樣就形成了粒子數反轉*狀態，從而推動了受激發射的形成。
*粒子數反轉＝是指處于高能級狀態的粒子數比處于低能級狀態的粒子數多的狀況。
日本東北大學的尾辻教授今后計劃研制通過形成諧振器來形成激光振蕩的元件，以及通過注入電流而非光激發來形成激光振蕩的元件。電流注入型元件通過電氣性控制石墨烯來實現p-i-n結（圖2）。
圖2：以電氣方式實現p-i-n結和粒子數反轉，由此形成激光振蕩
日本東北大學尾辻研究室設想的電流注入型石墨烯激光元件的構造。其思路是：在利用電氣方式實現p-i-n結的狀態下施加漏偏壓（VD），這時就會發生粒子數反轉狀態，從而形成激光振蕩。
尾辻原本以為利用電流注入型而非光激發型的話會花費時間，但結果反而是效率更勝一籌。“光激發的話會不可避免地向電子施加過度能量，受激發射的效率不高，而電流注入容易控制能量，可提高效率”（尾辻）。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
