Det nya materialet grafen och dess tekniska tillämpningar studeras vid Wiens tekniska universitet. Nu har forskare lyckats kombinera grafenljusdetektorer med halvledarchips.

I dag, den mesta informationen överförs med ljus – till exempel i optiska fibrer. Datorchip, dock, arbeta elektroniskt. Någonstans mellan den optiska datamotorvägen och de elektroniska chipsen, fotoner måste omvandlas till elektroner med hjälp av ljusdetektorer. Forskare vid Wiens tekniska universitet har nu lyckats kombinera en grafenfotodetektor med ett standardkiselchip. Den kan omvandla ljus av alla viktiga frekvenser som används inom telekommunikation till elektriska signaler. De vetenskapliga resultaten har nu publicerats i tidskriften Naturfotonik .

Datorkraft gjord av kol?

Både akademin och industrin sätter stora förhoppningar på grafen. Materialet, som består av ett enda skikt av hexagonalt arrangerade kolatomer, har extraordinära egenskaper. Två år sedan, teamet runt Thomas Müller (Institute of Photonics, Vienna University of Technology) visade att grafen är idealiskt lämpat för att omvandla ljus till elektrisk ström. "Det finns många material som kan omvandla ljus till elektriska signaler, men grafen möjliggör en särskilt snabb omvandling", säger Thomas Müller. Så varhelst stora mängder data ska överföras på kort tid, grafen kommer i framtiden troligen att vara det material man väljer.

Forskarna var tvungna att komma långt från det grundläggande beviset på vad materialet kan göra till att faktiskt använda det i ett chip – men nu lyckades de. Det wienska teamet arbetade tillsammans med forskare från Johannes Kepler-universitetet i Linz.

"En smal vågledare med en diameter på cirka 200 gånger 500 nanometer för den optiska signalen till grafenskiktet. Där, ljuset omvandlas till en elektrisk signal, som sedan kan bearbetas i chipet", Thomas Müller förklarar.

Mångsidig och kompakt

Det har redan gjorts försök att integrera fotodetektorer gjorda av andra material (som Germanium) direkt i ett chip. Dock, dessa material kan endast bearbeta ljus av ett specifikt våglängdsområde. Forskarna kunde visa att grafen kan omvandla alla våglängder som används inom telekommunikation lika bra.

Grafenfotodetektorn är inte bara extremt snabb, den kan också byggas på ett särskilt kompakt sätt. 20 000 detektorer kunde passa på ett enda chip med en yta på en kvadratcentimeter. Teoretiskt sett, chippet kunde förses med data via 20 000 olika informationskanaler.

Mer fart, mindre energi

"Dessa teknologier är inte bara viktiga för att överföra data över stora avstånd. Optisk dataöverföring blir också mer och mer viktig för kommunikation inom datorer", säger Thomas Müller. När stora datorkluster arbetar med många processorkärnor samtidigt, mycket information måste överföras mellan kärnorna. Eftersom grafen tillåter växling mellan optiska och elektriska signaler mycket snabbt, dessa data kan utbytas optiskt. Detta påskyndar datautbytet och kräver mycket mindre elektrisk energi.