Grafen optiske modulatorer kan føre til ultrahurtig kommunikation

(PhysOrg.com) - Forskere ved University of California, Berkeley, har demonstreret en ny teknologi til grafen, der kan bryde de nuværende hastighedsgrænser i digital kommunikation.

Holdet af forskere, ledet af UC Berkeley ingeniørprofessor Xiang Zhang, bygget en lille optisk enhed, der bruger grafen, et et-atom-tykt lag af krystalliseret kulstof, for at tænde og slukke lyset. Denne koblingsevne er det grundlæggende kendetegn ved en netværksmodulator, som styrer hastigheden, hvormed datapakker transmitteres. Jo hurtigere dataimpulserne sendes ud, jo større mængde information, der kan sendes. Grafen-baserede modulatorer kan snart give forbrugerne mulighed for at streame i fuld længde, høj opløsning, 3D-film på en smartphone i løbet af få sekunder, sagde forskerne.

"Dette er verdens mindste optiske modulator, og modulatoren i datakommunikation er hjertet af hastighedskontrol, " sagde Zhang, der leder et National Science Foundation (NSF) Nanoscale Science and Engineering Center ved UC Berkeley. "Graphene gør os i stand til at lave modulatorer, der er utroligt kompakte, og som potentielt yder ved hastigheder op til ti gange hurtigere, end den nuværende teknologi tillader. Denne nye teknologi vil markant forbedre vores muligheder inden for ultrahurtig optisk kommunikation og databehandling."

I dette seneste værk, beskrevet i den avancerede onlineudgivelse af tidsskriftet den 8. maj Natur , forskere var i stand til at indstille grafen elektrisk til at absorbere lys i bølgelængder, der bruges i datakommunikation. Dette fremskridt tilføjer endnu en fordel til grafen, som har fået ry som et vidundermateriale siden 2004, da det først blev udvundet af grafit, samme element i blyantbly. Den præstation gav University of Manchester-videnskabsmænd Andre Geim og Konstantin Novoselov Nobelprisen i fysik sidste år.

Zhang arbejdede sammen med fakultetskollega Feng Wang, en assisterende professor i fysik og leder af Ultrafast Nano-Optics Group ved UC Berkeley. Både Zhang og Wang er fakultetsforskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Materials Science Division.

"Effekten af ​​denne teknologi vil være vidtrækkende, " sagde Wang. "Ud over højhastighedsoperationer, grafen-baserede modulatorer kan føre til ukonventionelle anvendelser på grund af grafen's fleksibilitet og lethed i integration med forskellige slags materialer. Grafen kan også bruges til at modulere nye frekvensområder, såsom mellem-infrarødt lys, der er meget udbredt i molekylær sansning."

Grafen er det tyndeste, det stærkeste krystallinske materiale, der hidtil er kendt. Det kan strækkes som gummi, og det har den ekstra fordel, at det er en fremragende leder af varme og elektricitet. Denne sidste kvalitet af grafen gør det til et særligt attraktivt materiale til elektronik.

"Graphene er kompatibelt med siliciumteknologi og er meget billigt at fremstille, " sagde Ming Liu, post-doc forsker i Zhangs laboratorium og medforfatter af undersøgelsen. "Forskere i Korea sidste år har allerede produceret 30-tommer ark af det. Desuden, Der kræves meget lidt grafen til brug som modulator. Grafitten i en blyant kan give nok grafen til at fremstille 1 milliard optiske modulatorer."

Det er opførselen af ​​fotoner og elektroner i grafen, der først fangede UC Berkeley-forskernes opmærksomhed.

Forskerne fandt ud af, at elektronernes energi, omtalt som dets Fermi-niveau, kan nemt ændres afhængigt af den spænding, der påføres materialet. Grafenens Fermi-niveau bestemmer igen, om lyset absorberes eller ej.

Når en tilstrækkelig negativ spænding påføres, elektroner trækkes ud af grafenet og er ikke længere tilgængelige til at absorbere fotoner. Lyset er "tændt", fordi grafenet bliver totalt gennemsigtigt, når fotonerne passerer igennem.

Grafen er også transparent ved visse positive spændinger, fordi i den situation, elektronerne bliver pakket så tæt, at de ikke kan absorbere fotonerne.

Forskerne fandt et sødt sted i midten, hvor der er lige tilført nok spænding, så elektronerne kan forhindre fotonerne i at passere, effektivt at slukke lyset.

"Hvis grafen var en gang, og elektroner var mennesker, du kunne sige det, når hallen er tom, der er ingen i nærheden til at stoppe fotonerne, " sagde Xiaobo Yin, medforfatter af Nature-papiret og en forsker i Zhangs laboratorium. "I den anden yderlighed, når hallen er for fyldt, folk kan ikke bevæge sig og er ineffektive til at blokere fotonerne. Det er i mellem disse to scenarier, at elektronerne får lov til at interagere med og absorbere fotonerne, og grafenen bliver uigennemsigtig."

I deres eksperiment, forskerne lagde grafen oven på en siliciumbølgeleder for at fremstille optiske modulatorer. Forskerne var i stand til at opnå en modulationshastighed på 1 gigahertz, men de bemærkede, at hastigheden teoretisk kunne nå så højt som 500 gigahertz for en enkelt modulator.

Mens komponenter baseret på optik har mange fordele i forhold til dem, der bruger elektricitet, herunder evnen til at transportere tættere datapakker hurtigere, forsøg på at skabe optiske forbindelser, der passer pænt på en computerchip, er blevet hæmmet af den relativt store mængde plads, der kræves i fotonik.

Lysbølger er mindre adrætte i trange rum end deres elektriske modstykker, forskerne bemærkede, så fotonbaserede applikationer har primært været begrænset til store enheder, såsom fiberoptiske linjer.

"Elektroner kan nemt lave en L-formet drejning, fordi bølgelængderne, de opererer i, er små, " sagde Zhang. "Lysbølgelængder er generelt større, så de har brug for mere plads til at manøvrere. Det er som at vende en lang, stræk limousine i stedet for en motorcykel rundt om et hjørne. Det er derfor, optik kræver omfangsrige spejle for at kontrollere deres bevægelser. Nedskalering af den optiske enhed gør den også hurtigere, fordi det enkelte atomlag af grafen betydeligt kan reducere kapacitansen - evnen til at holde en elektrisk ladning - hvilket ofte hæmmer enhedens hastighed."

Grafenbaserede modulatorer kunne overvinde rumbarrieren for optiske enheder, sagde forskerne. De har med succes krympet en grafen-baseret optisk modulator ned til relativt små 25 kvadratmikrometer, en størrelse omkring 400 gange mindre end et menneskehår. Fodaftrykket af en typisk kommerciel modulator kan være så stort som et par kvadratmillimeter.

Selv i så lille en størrelse, graphene pakker et slag i båndbredde kapacitet. Grafen kan absorbere et bredt spektrum af lys, spænder over tusindvis af nanometer fra ultraviolette til infrarøde bølgelængder. Dette gør det muligt for grafen at bære flere data end nuværende avancerede modulatorer, som opererer med en båndbredde på op til 10 nanometer, sagde forskerne.

"Graphene-baserede modulatorer tilbyder ikke kun en stigning i modulationshastigheden, de kan muliggøre større mængder data pakket ind i hver puls, " sagde Zhang. "I stedet for bredbånd, vi vil have 'ekstrembånd'. Det, vi ser her og fremover med grafen-baserede modulatorer, er enorme forbedringer, ikke kun inden for forbrugerelektronik, men i ethvert felt, der nu er begrænset af dataoverførselshastigheder, herunder bioinformatik og vejrudsigt. Vi håber at se industrielle anvendelser af denne nye enhed i de næste par år."