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.
poleca:
