(PhysOrg.com) – Forskare vid University of California, Berkeley, har demonstrerat en ny teknik för grafen som kan bryta de nuvarande hastighetsgränserna inom digital kommunikation.

Teamet av forskare, ledd av UC Berkeley ingenjörsprofessor Xiang Zhang, byggde en liten optisk enhet som använder grafen, ett enatoms tjockt lager av kristalliserat kol, för att tända och släcka ljuset. Denna omkopplingsförmåga är den grundläggande egenskapen hos en nätverksmodulator, som styr hastigheten med vilken datapaket sänds. Ju snabbare datapulserna skickas ut, desto större mängd information kan skickas. Grafenbaserade modulatorer kan snart tillåta konsumenter att streama i full längd, högupplöst, 3D-filmer på en smartphone på några sekunder, sa forskarna.

"Detta är världens minsta optiska modulator, och modulatorn inom datakommunikation är hjärtat av hastighetskontroll, sa Zhang, som leder ett National Science Foundation (NSF) Nanoscale Science and Engineering Center vid UC Berkeley. "Graphene gör det möjligt för oss att göra modulatorer som är otroligt kompakta och som potentiellt presterar i hastigheter upp till tio gånger snabbare än vad nuvarande teknik tillåter. Den här nya tekniken kommer att avsevärt förbättra våra möjligheter inom ultrasnabb optisk kommunikation och datoranvändning."

I detta senaste verk, beskrivs i tidskriftens avancerade onlinepublikation den 8 maj Natur , forskare kunde ställa in grafen elektriskt för att absorbera ljus i våglängder som används i datakommunikation. Detta framsteg ger grafen ytterligare en fördel, som har fått ett rykte som ett undermaterial sedan 2004 då det först utvanns ur grafit, samma element i blyertspenna. Den prestationen gav forskarna vid University of Manchester Andre Geim och Konstantin Novoselov Nobelpriset i fysik förra året.

Zhang arbetade med fakultetskollegan Feng Wang, en biträdande professor i fysik och chef för Ultrafast Nano-Optics Group vid UC Berkeley. Både Zhang och Wang är fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Materials Science Division.

"Inverkan av denna teknik kommer att vara långtgående, ", sa Wang. "Förutom höghastighetsoperationer, grafenbaserade modulatorer kan leda till okonventionella tillämpningar på grund av grafens flexibilitet och lätthet i integration med olika typer av material. Grafen kan också användas för att modulera nya frekvensområden, såsom medelinfrarött ljus, som används i stor utsträckning inom molekylär avkänning."

Grafen är det tunnaste, starkaste kristallina materialet hittills känt. Det kan sträckas som gummi, och den har den extra fördelen att den är en utmärkt ledare av värme och elektricitet. Denna sista kvalitet av grafen gör det till ett särskilt attraktivt material för elektronik.

"Grafen är kompatibelt med kiselteknologi och är väldigt billigt att tillverka, sa Ming Liu, postdoktorand i Zhangs labb och medförfattare till studien. "Forskare i Korea förra året har redan producerat 30-tums ark av det. Dessutom, mycket lite grafen krävs för användning som modulator. Grafiten i en penna kan ge tillräckligt med grafen för att tillverka 1 miljard optiska modulatorer."

Det är beteendet hos fotoner och elektroner i grafen som först fångade UC Berkeley-forskarnas uppmärksamhet.

Forskarna fann att elektronernas energi, kallas dess Fermi-nivå, kan lätt ändras beroende på spänningen som appliceras på materialet. Grafenens Fermi-nivå avgör i sin tur om ljuset absorberas eller inte.

När en tillräcklig negativ spänning appliceras, elektroner dras ut ur grafenet och är inte längre tillgängliga för att absorbera fotoner. Ljuset "tänds" eftersom grafenet blir helt transparent när fotonerna passerar igenom.

Grafen är också transparent vid vissa positiva spänningar eftersom, i den situationen, elektronerna packas så tätt att de inte kan absorbera fotonerna.

Forskarna hittade en sweet spot i mitten där det finns precis tillräckligt med spänning så att elektronerna kan hindra fotonerna från att passera, effektivt släcka ljuset.

"Om grafen vore en hall, och elektroner var människor, du skulle kunna säga det, när hallen är tom, det finns ingen i närheten som kan stoppa fotonerna, sa Xiaobo Yin, medförfattare till Nature-tidningen och en forskare i Zhangs labb. "I den andra ytterligheten, när hallen är för trång, människor kan inte röra sig och är ineffektiva när det gäller att blockera fotonerna. Det är mellan dessa två scenarier som elektronerna tillåts interagera med och absorbera fotonerna, och grafenen blir ogenomskinlig."

I deras experiment, forskarna lade grafen i lager ovanpå en vågledare av kisel för att tillverka optiska modulatorer. Forskarna kunde uppnå en moduleringshastighet på 1 gigahertz, men de noterade att hastigheten teoretiskt kunde nå så högt som 500 gigahertz för en enda modulator.

Även om komponenter baserade på optik har många fördelar jämfört med de som använder elektricitet, inklusive möjligheten att transportera tätare datapaket snabbare, försök att skapa optiska sammankopplingar som passar snyggt på ett datorchip har försvårats av den relativt stora mängden utrymme som krävs inom fotonik.

Ljusvågor är mindre smidiga i trånga utrymmen än sina elektriska motsvarigheter, forskarna noterade, så fotonbaserade applikationer har i första hand varit begränsade till storskaliga enheter, såsom fiberoptiska linjer.

"Elektroner kan lätt göra en L-formad sväng eftersom våglängderna där de verkar är små, " sa Zhang. "Ljusvåglängder är i allmänhet större, så de behöver mer utrymme att manövrera. Det är som att vända en lång, stretch limousine istället för en motorcykel runt hörnet. Det är därför optik kräver skrymmande speglar för att kontrollera deras rörelser. Att skala ner den optiska enheten gör den också snabbare eftersom det enda atomära lagret av grafen avsevärt kan minska kapacitansen – förmågan att hålla en elektrisk laddning – vilket ofta hindrar enhetens hastighet."

Grafenbaserade modulatorer kan övervinna rymdbarriären hos optiska enheter, sa forskarna. De har framgångsrikt krympt en grafenbaserad optisk modulator till relativt små 25 kvadratmikrometer, en storlek ungefär 400 gånger mindre än ett människohår. Fotavtrycket för en typisk kommersiell modulator kan vara så stort som några kvadratmillimeter.

Även i så liten storlek, grafen har en kraft i bandbreddskapacitet. Grafen kan absorbera ett brett spektrum av ljus, som sträcker sig över tusentals nanometer från ultravioletta till infraröda våglängder. Detta gör att grafen kan bära mer data än nuvarande toppmoderna modulatorer, som arbetar med en bandbredd på upp till 10 nanometer, sa forskarna.

"Grafenbaserade modulatorer erbjuder inte bara en ökning av moduleringshastigheten, de kan möjliggöra större mängder data packade i varje puls, " sa Zhang. "Istället för bredband, vi kommer att ha "extremeband". Det vi ser här och framöver med grafenbaserade modulatorer är enorma förbättringar, inte bara inom hemelektronik, men inom alla områden som nu begränsas av dataöverföringshastigheter, inklusive bioinformatik och väderprognoser. Vi hoppas få se industriella tillämpningar av denna nya enhet under de närmaste åren."