Die spektakuläre Leistung von Graphen in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation
Das Programm Graphene Flagship zielt darauf ab, als Katalysator für die Entwicklung bahnbrechender Anwendungen zu fungieren, indem Akademie und Industrie zusammengeführt werden, damit dieses vielseitige Material innerhalb von zehn Jahren in die Gesellschaft gebracht werden kann. Wie wichtig die Integration von Graphen in die Siliziumphotonik ist, wurde angesichts der gemeinsamen Ergebnisse offenbar, die über die Zusammenarbeit zwischen den Flagship-Partnern AMO GmbH (Deutschland), dem nationalen interuniversitären Konsortium für Telekommunikation (CNIT) (Italien), Ericsson (Schweden), der Universität Gent (Belgien), dem Institut für Photonikwissenschaften (ICFO) (Spanien), dem IMEC (Belgien), Nokia (Deutschland und Italien), der Technischen Universität Wien (TU Wien) (Österreich) und der Universität Cambridge (Vereinigtes Königreich) gewonnen wurden. Einzelchip-Wunder Silizium wurde allenthalben als Material angepriesen, das im Bereich der Photonik für die monolithische Integration geeignet ist. Eine Steigerung der Geschwindigkeit und Reduktion von Energie- und Platzverbrauch wichtiger Komponenten in der Siliziumphotoniktechnologie wurde jedoch bis dato in keinem Einzelchip erreicht. Graphen allerdings – mit seinen Fähigkeiten zu Signalemission, -modulation und -detektion – könnte die nächste bahnbrechende Technologie sein, um genau das zu erreichen. „Graphen bietet eine Komplettlösung für optoelektronische Technologien“, bemerkt Daniel Neumaier von der AMO GmbH, welche die „Graphene Flagship“-Abteilung für die Elektronik- und Photonikintegration leitet. Die feineinstellbaren optischen Eigenschaften, die hohe elektrische Mobilität, der spektrale Breitbandbetrieb und die Kompatibilität mit Siliziumphotonik ermöglichen eine monolithische Integration von Phasen- und Absorptionsmodulatoren, Schaltern und Photodetektoren. Die Integration in einen Einzelchip kann die Geräteleistung verbessern sowie Platzverbrauch und Herstellungskosten erheblich reduzieren. Es kommt nicht nur auf das Silizium an Lichtmodulation und -detektion sind wichtige Vorgänge in integrierten photonischen Schaltungen. In Ermangelung einer Bandlücke ermöglicht Graphen die Breitband-Lichtdetektion mit einem einzigen Material, das Licht einheitlich über ein breites Spektrum im sichtbaren und Infrarotspektrum absorbiert. Das 2D-Material zeigt zudem Elektroabsorptions- und Elektrorefraktionseffekte, die für eine ultraschnelle Modulation genutzt werden können. Anstatt sich auf die kostenintensive SOI-Wafertechnologie (Silizium auf einem Isolator) zu verlassen, die im Bereich der Siliziumphotonik weitläufig Anwendung findet, schlugen die „Graphene Flagship“-Forscher eine praktischere Konfiguration vor. Diese bestand aus einer einzelnen Schicht Graphen sowie einem Kondensator, der sich aus einem einschichtigen Graphen-Isolator und einschichtigen Graphen-Stapel auf einem passiven Wellenleiter zusammensetzt. „Diese Anordnung unterstützt mehrere Vorteile im Vergleich zu Siliziumphotonikmodulatoren“, erklärt Neumaier. Die Modulatorherstellung sei zudem nicht von dem Wellenleitermaterial oder von den Modulationsmechanismen für die Elektroabsorption und Elektrorefraktion abhängig. Darüber hinaus hebt der Austausch von Photodetektoren mit Germanium durch einschichtiges Graphen den Bedarf für relativ kostspielige Module für die Germanium-Epitaxie und das dazugehörige spezielle Dotierungsverfahren auf. Siliziumnitrid (SiN) erwies sich als gutes Substrat für die Graphensynthetisierung, und ermöglichte eine hohe Trägermobilität, Transparenz über den sichtbaren und Infrarotregionen sowie ideale Kompatibilität mit Silizium und ergänzenden Metalloxid-Halbleiter-Technologien (CMOS). Als passive Wellenleiter-Plattform vereinfacht SiN die Laserintegration und Glasfaserkopplung an den Wellenleiter, sodass die Konstruktion von Miniaturkomponenten ermöglicht wird. Eine strahlende Zukunft für die graphenbasierte Photoelektronik Beim Erschließen des Potentials von Graphen demonstrierten die Forscher erfolgreich die Datenkommunikation mit photonischen Graphenkomponenten bis zu einer Datengeschwindigkeit von 50 Gb/s. Ein graphenbasierter Modulator verarbeitete die Daten auf der Senderseite des Netzes, wobei ein elektronischer Datenstrom in ein optisches Signal kodiert wurde. Auf der Empfängerseite wandelte ein graphenbasierter Photodetektor die optische Modulation in ein elektrisches Signal um. „Diese Ergebnisse sind ein aussichtsreicher Start für die Verwendung graphenbasierter Photonikkomponenten in der Datenkommunikation der nächsten Generation“, lautet das Fazit von Neumaier.
Länder
Schweden