Grafen fotodetektor integreret i computerchip

Det nye materiale grafen og dets teknologiske anvendelser studeres ved Wiens teknologiske universitet. Nu lykkedes det for forskere at kombinere grafenlysdetektorer med halvlederchips.

I dag, de fleste informationer transmitteres af lys – for eksempel i optiske fibre. Computerchips, imidlertid, arbejde elektronisk. Et sted mellem den optiske datamotorvej og de elektroniske chips, fotoner skal omdannes til elektroner ved hjælp af lysdetektorer. Forskere ved Wiens teknologiske universitet har nu formået at kombinere en grafenfotodetektor med en standard siliciumchip. Det kan omdanne lys af alle vigtige frekvenser, der bruges i telekommunikation, til elektriske signaler. De videnskabelige resultater er nu offentliggjort i tidsskriftet Naturfotonik .

Regnekraft lavet af kulstof?

Både den akademiske verden og industrien sætter store forhåbninger til grafen. Materialet, som består af et enkelt lag af hexagonalt arrangerede carbonatomer, har ekstraordinære egenskaber. To år siden, holdet omkring Thomas Müller (Institute of Photonics, Vienna University of Technology) viste, at grafen er ideelt egnet til at omdanne lys til elektrisk strøm. "Der er mange materialer, der kan omdanne lys til elektriske signaler, men grafen giver mulighed for en særlig hurtig konvertering", siger Thomas Müller. Så overalt hvor store mængder data skal transmitteres på kort tid, grafen vil i fremtiden formentlig være det foretrukne materiale.

Forskerne skulle langt fra det grundlæggende bevis på, hvad materialet kan, til rent faktisk at bruge det i en chip – men nu lykkedes det. Wienerholdet arbejdede sammen med forskere fra Johannes Kepler Universitetet i Linz.

"En smal bølgeleder med en diameter på omkring 200 gange 500 nanometer fører det optiske signal til grafenlaget. Der, lyset omdannes til et elektrisk signal, som derefter kan behandles i chippen", Thomas Müller forklarer.

Alsidig og kompakt

Der har allerede været forsøg på at integrere fotodetektorer lavet af andre materialer (såsom Germanium) direkte i en chip. Imidlertid, disse materialer kan kun behandle lys af et bestemt bølgelængdeområde. Forskerne kunne vise, at grafen kan konvertere alle bølgelængder, som bruges i telekommunikation lige godt.

Grafenfotodetektoren er ikke kun ekstremt hurtig, den kan også bygges på en særlig kompakt måde. 20.000 detektorer kunne passe på en enkelt chip med et overfladeareal på en kvadratcentimeter. Teoretisk set, chippen kunne forsynes med data via 20.000 forskellige informationskanaler.

Mere fart, mindre energi

"Disse teknologier er ikke kun vigtige for transmission af data over store afstande. Optisk datatransmission bliver også mere og mere vigtig for kommunikation inden for computere", siger Thomas Müller. Når store computerklynger arbejder med mange processorkerner på samme tid, meget information skal overføres mellem kernerne. Da grafen tillader skift mellem optiske og elektriske signaler meget hurtigt, disse data kan udveksles optisk. Dette fremskynder dataudvekslingen og kræver meget mindre elektrisk energi.