Spektakularna skuteczność grafenu w szybkiej komunikacji optycznej
Program Graphene Flagship ma pełnić rolę katalizatora rozwoju przełomowych zastosowań grafenu dzięki współpracy nauki i przemysłu, aby w ciągu 10 lat wprowadzić ten wszechstronny materiał na rynek. Znaczenie zastosowania grafenu w fotonice krzemowej uwidoczniło się we wspólnych wynikach uzyskanych dzięki współpracy partnerów projektu: AMO GmbH (Niemcy), Krajowego Międzyuczelnianego Konsorcjum w dziedzinie Telekomunikacji (CNIT) (Włochy), firmy Ericsson (Szwecja), Uniwersytetu w Gandawie (Belgia), Instytutu Nauk Fotonicznych (ICFO) (Hiszpania), imec (Belgia), Nokii (Niemcy i Włochy), Wiedeńskiego Uniwersytetu Technicznego (TU Wien) (Austria) oraz Uniwersytetu w Cambridge (Zjednoczone Królestwo). Cudowny chip Krzem jest powszechnie uznawany za odpowiedni do integracji monolitycznej w fotonice. Jednak jak dotąd nie udawało się zwiększyć prędkości oraz zmniejszyć mocy i śladu węglowego kluczowych elementów technologii fotoniki krzemowej w jednym układzie scalonym. Grafen – ze swoją zdolnością do emisji, modulacji i wykrywania sygnału – może być kolejną przełomową technologią, która umożliwi osiągnięcie tego celu. „Grafen stanowi kompleksowe rozwiązanie dla technologii optoelektronicznych”, tłumaczy Daniel Neumaier z AMO GmbH, lider działu Graphene Flagship ds. integracji elektroniki i fotoniki. Jego dostrajalne właściwości optyczne, duża ruchliwość elektronów, działanie szerokopasmowe i kompatybilność z fotoniką krzemową umożliwiają monolityczną integrację modulatorów fazowych i absorpcyjnych, przełączników i fotodetektorów. Integracja na jednym chipie może zwiększyć wydajność urządzenia i znacznie zmniejszyć jego rozmiary oraz koszty produkcji. Nie do końca na krzemie Modulacja i wykrywanie światła są kluczowymi operacjami w fotonicznych układach scalonych. Nieposiadający pasma wzbronionego grafen umożliwia szerokopasmową detekcję światła przy użyciu jednego materiału, ponieważ pochłania je równomiernie w szerokim zakresie widma widzialnego i podczerwonego. Dwuwymiarowy materiał przejawia również efekty elektroabsorpcji i elektrorefrakcji, które mogą zostać wykorzystane do ultraszybkiej modulacji. Zamiast polegać na kosztownej technologii płytek typu „krzem na izolatorze”, szeroko stosowanej w fotonice krzemowej, badacze z projektu Graphene Flagship zaproponowali wygodniejszą konfigurację. Składa się ona z pary pojedynczych warstw grafenu (SLG), natomiast kondensator jest stosem SLG-izolator-SLG umieszczonym na pasywnym falowodzie. „Taki układ ma szereg zalet w porównaniu z modulatorami fotonicznymi”, wyjaśnia Neumaier. Jak mówi, produkcja modulatorów nie opiera się na materiale falowodowym ani na mechanizmach modulacji wykorzystujących elektrorefrakcję i elektroabsorpcję. Ponadto zastąpienie fotodetektorów germanowych grafenem jednowarstwowym eliminuje konieczność stosowania dość kosztownych modułów epitaksji germanu i powiązanych specjalistycznych procesów domieszkowania. Azotek krzemu (SiN) dostarczył dobrego substratu do syntezy grafenu, oferując wysoką ruchliwość nośników, przezroczystość w widmie światła widzialnego i podczerwonego oraz doskonałą kompatybilność z technologiami krzemowymi i technologiami metal-tlenek-półprzewodnik (CMOS). Jako platforma do falowodów pasywnych SiN ułatwia integrację lasera i sprzężenie światłowodowe z falowodem, umożliwiając tym samym projektowanie miniaturowych urządzeń. Doskonałe perspektywy dla fotoelektroniki opartej na grafenie Wykorzystując potencjał grafenu, naukowcy z powodzeniem przeprowadzili demonstracyjną komunikację danych z wykorzystaniem grafenowych komponentów fotonicznych z szybkością do 50 Gb/s. Modulator grafenowy przetwarzał dane po stronie nadajnika sieci, kodując elektroniczny strumień danych do sygnału optycznego. Po stronie odbiornika fotodetektor grafenowy przekształcał modulację optyczną w sygnał elektroniczny. „Wyniki te są obiecującym początkiem, jeżeli chodzi o wykorzystanie grafenowych urządzeń fotonicznych w komunikacji danych następnej generacji”, podsumowuje Neumaier.
Kraje
Szwecja