Att integrera grafenark i kiselfotonik skulle kunna utgöra grunden för nästa generations datakommunikation. Forskare från Graphene Flagship-initiativet har drivit tekniken närmare tillämpning genom att demonstrera världens första höghastighetsgrafenbaserade datakommunikation med en datahastighet på 50 Gb/s.

Graphene Flagship-programmet syftar till att fungera som en katalysator för utvecklingen av banbrytande applikationer genom att föra samman akademi och industri för att ta detta mångsidiga material in i samhället inom 10 år. Vikten av att integrera grafen i kiselfotonik var uppenbar i de gemensamma resultaten som producerades av samarbetet mellan flaggskeppspartnerna AMO GmbH (Tyskland), National Inter-University Consortium for Telecommunications (CNIT) (Italien), Ericsson (Sverige), Gents universitet (Belgien), Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO) (Spanien), imec (Belgien), Nokia (Tyskland och Italien), Wiens tekniska universitet (TU Wien) (Österrike) och universitetet i Cambridge (UK).

One-chip underverk

Kisel har allmänt hyllats som lämpligt för monolitisk integration för fotonik. Dock, att öka hastigheten och minska kraften och fotavtrycket för nyckelkomponenter i kiselfotoniktekniken har inte uppnåtts i ett enda chip, hittills. Men grafen - med dess förmåga för signalemission, modulering och detektering – kan vara nästa störande teknik för att uppnå detta.

"Graphene erbjuder en allt-i-ett-lösning för optoelektronisk teknologi, " konstaterar Daniel Neumaier från AMO GmbH, Ledare för Graphene Flagships Division för integration av elektronik och fotonik. Dess inställbara optiska egenskaper, hög elektrisk rörlighet, spektralt bredbandsdrift och kompatibilitet med kiselfotonik möjliggör monolitisk integration av fas- och absorptionsmodulatorer, strömbrytare och fotodetektorer. Integrering på ett enda chip kan öka enhetens prestanda och avsevärt minska dess fotavtryck och tillverkningskostnad.

Inte helt fast på kisel

Ljusmodulering och detektering är nyckeloperationer i fotoniska integrerade kretsar. Saknar ett bandgap, grafen gör det möjligt att detektera bredbandsljus med ett enda material eftersom det absorberar enhetligt över ett brett område i det synliga och infraröda spektrumet. 2D-materialet visar också elektroabsorptions- och elektrobrytningseffekter som kan användas för ultrasnabb modulering.

Istället för att förlita sig på den dyra kisel-på-isolator-wafer-tekniken som används allmänt inom kiselfotonik, Grafen flaggskeppsforskare föreslog en mer bekväm konfiguration. Detta bestod av ett par enskiktsgrafen (SLG) lager, en kondensator som består av en SLG-isolator-SLG-stapel ovanpå en passiv vågledare. "Ett sådant arrangemang har flera fördelar jämfört med kiselfotonmodulatorer, " förklarar Neumaier. Som han ytterligare beskriver, modulatortillverkning förlitar sig inte på vågledarmaterialet eller elektroabsorptions- och elektrobrytningsmoduleringsmekanismerna. Dessutom, Genom att ersätta germaniumfotodetektorer med SLG elimineras behovet av de ganska dyra modulerna av germaniumepitax och de medföljande specialiserade dopningsprocesserna.

Kiselnitrid (SiN) gav ett bra substrat för att syntetisera grafen, möjliggör hög mobilitet för operatörer, transparens över de synliga och infraröda områdena och perfekt kompatibilitet med kisel och komplementära metalloxidhalvledarteknologier (CMOS). Som en passiv vågledarplattform, SiN underlättar laserintegration och fiberkoppling till vågledaren, vilket möjliggör design av miniatyriserade enheter.

En ljus framtid för grafenbaserad fotoelektronik

Att utnyttja grafenens potential, Forskare demonstrerade framgångsrikt datakommunikation med grafenfotoniska komponenter upp till en datahastighet på 50 Gb/s. En grafenbaserad modulator bearbetade data på sändarsidan av nätverket, kodning av en elektronisk dataström till en optisk signal. På mottagarens sida, en grafenbaserad fotodetektor omvandlade den optiska moduleringen till en elektronisk signal. "Dessa resultat är en lovande start för att använda grafenbaserade fotoniska enheter i nästa generations datakommunikation, " avslutar Neumaier.