Интеграция графеновых листов в кремниевую фотонику может стать основой для передачи данных следующего поколения. Исследователи из инициативы Graphene Flagship приблизили технологию к применению, продемонстрировав первую в мире высокоскоростную передачу данных на основе графена со скоростью передачи данных 50 Гбит/с.

Флагманская программа Graphene направлена ​​на то, чтобы стать катализатором для разработки инновационных приложений, объединив научные и промышленные круги, чтобы в течение 10 лет внедрить этот универсальный материал в общество. Важность интеграции графена в кремниевую фотонику была очевидна в совместных результатах, полученных в результате сотрудничества между Flagship partners AMO GmbH (Германия), Национальным межуниверситетским консорциумом по телекоммуникациям (CNIT) (Италия), Ericsson (Швеция), Университет Гента ( Бельгия), Институт фотонных наук (ICFO) (Испания), IMEC (Бельгия), Nokia (Германия и Италия), Венский технологический университет (TU Wien) (Австрия) и Кембриджский университет (Великобритания).

Чудо с одним чипом

Кремний широко известен как подходящий для монолитной интеграции для фотоники. Однако до настоящего времени не было достигнуто увеличение скорости и уменьшение мощности и занимаемой площади ключевых компонентов технологии кремниевой фотоники в одной микросхеме. Но графен — с его способностью к излучению сигнала, модуляции и обнаружению — может стать следующей прорывной технологией для достижения этой цели.

«Graphene предлагает комплексное решение для оптоэлектронных технологий», — отмечает Даниэль Ноймайер из AMO GmbH, руководитель подразделения флагманов Graphene по интеграции электроники и фотоники. Его настраиваемые оптические свойства, высокая электрическая подвижность, спектрально широкополосная работа и совместимость с кремниевой фотоникой позволяют монолитную интеграцию модуляторов фазы и поглощения, переключателей и фотоприемников. Интеграция на одном чипе может повысить производительность устройства и существенно снизить его площадь и стоимость изготовления.

Не полностью застрял на кремнии

Модуляция света и обнаружение являются ключевыми операциями в фотонных интегральных схемах. Не имея запрещенной зоны, графен делает возможным обнаружение широкополосного света с помощью одного материала, поскольку он равномерно поглощает в широком диапазоне видимого и инфракрасного спектра. Двухмерный материал также демонстрирует эффекты электроабсорбции и электрорефракции, которые можно использовать для сверхбыстрой модуляции.

Вместо того, чтобы полагаться на дорогостоящую технологию кремний-на-изоляторе, широко используемую в кремниевой фотонике, исследователи флагманского графена предложили более удобную конфигурацию. Он состоял из пары однослойных графеновых (SLG) слоев, конденсатора, состоящего из стопки SLG-изолятор-SLG поверх пассивного волновода. «Такое расположение имеет несколько преимуществ по сравнению с кремниевыми фотонными модуляторами», — объясняет Ноймайер. Как он далее подчеркивает, изготовление модуляторов не зависит от материала волновода или механизмов модуляции электро-поглощения и электро-рефракции. Кроме того, замена германиевых фотоприемников на СЛГ устраняет необходимость в достаточно дорогостоящих модулях германиевой эпитаксии и сопутствующих специализированных процессах легирования.

Нитрид кремния (SiN) обеспечил хорошую подложку для синтеза графена, обеспечивая высокую подвижность носителей, прозрачность в видимой и инфракрасной областях и превосходную совместимость с технологиями кремния и комплементарного металл-оксидного полупроводника (CMOS). В качестве пассивной волноводной платформы SiN облегчает интеграцию лазера и волоконную связь с волноводом, что позволяет создавать миниатюрные устройства.

Светлое будущее для фотоэлектроники на основе графена

Используя потенциал графена, исследователи успешно продемонстрировали обмен данными с фотонными компонентами графена до скорости передачи данных 50 Гбит/с. Модулятор на основе графена обрабатывал данные на стороне передатчика сети, кодируя электронный поток данных в оптический сигнал. На стороне приемника фотоприемник на основе графена преобразовал оптическую модуляцию в электронный сигнал. «Эти результаты являются многообещающим началом использования фотонных устройств на основе графена в передаче данных следующего поколения», — заключает Ноймайер.

 

По материалам сайта phys.org