A integração de folhas de grafeno em fotônica de silício pode formar a base para comunicações de dados de próxima geração. Os pesquisadores da iniciativa Graphene Flagship levaram a tecnologia para mais perto da aplicação, demonstrando a primeira comunicação de dados de alta velocidade baseada em grafeno a uma taxa de dados de 50 Gb / s.

O programa Graphene Flagship visa atuar como um catalisador para o desenvolvimento de aplicações inovadoras, reunindo a academia e a indústria para levar este material versátil para a sociedade em 10 anos. A importância da integração do grafeno na fotônica de silício ficou evidente nos resultados conjuntos produzidos pela colaboração entre os parceiros principais AMO GmbH (Alemanha), o Consórcio Nacional Interuniversitário de Telecomunicações (CNIT) (Itália), Ericsson (Suécia), Universidade de Ghent (Bélgica), o Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) (Espanha), imec (Bélgica), Nokia (Alemanha e Itália), a Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) (Áustria) e a Universidade de Cambridge (Reino Unido).

Maravilha de um chip

O silício tem sido amplamente aclamado como adequado para integração monolítica em fotônica. Contudo, aumentar a velocidade e reduzir o poder e a pegada dos principais componentes da tecnologia de fotônica de silício não foi alcançado em um único chip, Até a presente data. Mas o grafeno - com sua capacidade de emissão de sinal, modulação e detecção - pode ser a próxima tecnologia disruptiva a conseguir isso.

"O Graphene oferece uma solução completa para tecnologias optoeletrônicas, "observa Daniel Neumaier da AMO GmbH, Líder da Divisão Flagships do Graphene em Integração Eletrônica e Fotônica. Suas propriedades ópticas ajustáveis, alta mobilidade elétrica, a operação de banda larga espectral e a compatibilidade com fotônica de silício permitem a integração monolítica de moduladores de fase e absorção, interruptores e fotodetectores. A integração em um único chip pode aumentar o desempenho do dispositivo e reduzir substancialmente seu espaço físico e custo de fabricação.

Não totalmente preso ao silício

A modulação e detecção de luz são operações-chave em circuitos integrados fotônicos. Faltando um bandgap, o grafeno torna possível a detecção de luz de banda larga com um único material, pois absorve uniformemente em uma ampla faixa do espectro visível e infravermelho. O material 2-D também exibe efeitos de eletroabsorção e eletro-refração que podem ser usados ​​para modulação ultrarrápida.

Em vez de depender da cara tecnologia de wafer de silício sobre isolador amplamente usada em fotônica de silício, Os pesquisadores do Graphene Flagship propuseram uma configuração mais conveniente. Este consistia em um par de camadas de grafeno de camada única (SLG), um capacitor que consiste em uma pilha SLG-isolador-SLG no topo de um guia de onda passivo. "Tal arranjo apresenta várias vantagens em comparação com moduladores fotônicos de silício, "explica Neumaier. Conforme ele descreve, a fabricação do modulador não depende do material do guia de ondas ou dos mecanismos de modulação de eletroabsorção e eletro-refração. Além disso, substituir fotodetectores de germânio por SLG elimina a necessidade de módulos bastante caros de epitaxia de germânio e os processos de dopagem especializados que os acompanham.

O nitreto de silício (SiN) forneceu um bom substrato para sintetizar grafeno, permitindo alta mobilidade da operadora, transparência sobre as regiões visível e infravermelho e compatibilidade perfeita com tecnologias de silício e semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Como uma plataforma passiva de guia de ondas, SiN facilita a integração do laser e o acoplamento de fibra ao guia de onda, permitindo assim a concepção de dispositivos miniaturizados.

Um futuro brilhante para fotoeletrônica baseada em grafeno

Aproveitando o potencial do grafeno, os pesquisadores demonstraram com sucesso a comunicação de dados com componentes fotônicos de grafeno até uma taxa de dados de 50 Gb / s. Um modulador baseado em grafeno processou os dados no lado do transmissor da rede, codificar um fluxo de dados eletrônicos para um sinal óptico. Do lado do receptor, um fotodetector à base de grafeno converteu a modulação óptica em um sinal eletrônico. "Esses resultados são um começo promissor para o uso de dispositivos fotônicos baseados em grafeno nas comunicações de dados de última geração, "Neumaier conclui.