Het integreren van grafeenplaten in siliciumfotonica zou de basis kunnen vormen voor datacommunicatie van de volgende generatie. Onderzoekers van het Graphene Flagship-initiatief hebben de technologie dichter bij de toepassing gebracht door 's werelds eerste snelle op grafeen gebaseerde datacommunicatie te demonstreren met een datasnelheid van 50 Gb/s.

Het Graphene Flagship-programma wil fungeren als katalysator voor de ontwikkeling van baanbrekende toepassingen door de academische wereld en de industrie samen te brengen om dit veelzijdige materiaal binnen 10 jaar in de samenleving te brengen. Het belang van de integratie van grafeen in siliciumfotonica bleek duidelijk uit de gezamenlijke resultaten van de samenwerking tussen vlaggenschippartners AMO GmbH (Duitsland), het Nationaal Interuniversitair Consortium voor Telecommunicatie (CNIT) (Italië), Ericsson (Zweden), Universiteit Gent (België), het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) (Spanje), imec (België), Nokia (Duitsland en Italië), de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) (Oostenrijk) en de Universiteit van Cambridge (VK).

Wonder van één chip

Silicium is alom geprezen als geschikt voor monolithische integratie voor fotonica. Echter, het verhogen van de snelheid en het verminderen van het vermogen en de voetafdruk van belangrijke componenten van siliciumfotonica-technologie is niet bereikt in een enkele chip, daten. Maar grafeen - met zijn vermogen voor signaalemissie, modulatie en detectie—kan de volgende disruptieve technologie zijn om dit te bereiken.

"Graphene biedt een alles-in-één oplossing voor opto-elektronische technologieën, " merkt Daniel Neumaier van AMO GmbH op, Leider van de Graphene Flagships Division on Electronics and Photonics Integration. Zijn afstembare optische eigenschappen, hoge elektrische mobiliteit, spectraal breedbandwerking en compatibiliteit met siliciumfotonica maken monolithische integratie van fase- en absorptiemodulatoren mogelijk, schakelaars en fotodetectoren. Integratie op een enkele chip kan de prestaties van het apparaat verhogen en de voetafdruk en fabricagekosten aanzienlijk verminderen.

Niet helemaal vast op silicium

Lichtmodulatie en detectie zijn belangrijke operaties in fotonische geïntegreerde schakelingen. Het ontbreken van een bandgap, grafeen maakt breedband lichtdetectie met een enkel materiaal mogelijk omdat het uniform absorbeert over een breed bereik in het zichtbare en infrarode spectrum. Het 2D-materiaal vertoont ook elektro-absorptie- en elektro-brekingseffecten die kunnen worden gebruikt voor ultrasnelle modulatie.

In plaats van te vertrouwen op de dure silicium-op-isolator-wafeltechnologie die veel wordt gebruikt in siliciumfotonica, Graphene Flagship-onderzoekers stelden een handiger configuratie voor. Dit bestond uit een paar enkellaags grafeen (SLG) lagen, een condensator bestaande uit een SLG-isolator-SLG-stack bovenop een passieve golfgeleider. "Zo'n opstelling biedt verschillende voordelen in vergelijking met siliciumfotonische modulatoren, " legt Neumaier uit. Terwijl hij verder schetst, modulatorfabricage is niet afhankelijk van het golfgeleidermateriaal of de elektro-absorptie- en elektro-brekingsmodulatiemechanismen. In aanvulling, het vervangen van germaniumfotodetectoren door SLG maakt de noodzaak voor de vrij dure modules van germaniumepitaxie en de bijbehorende gespecialiseerde dopingprocessen overbodig.

Siliciumnitride (SiN) vormde een goed substraat voor de synthese van grafeen, waardoor een hoge mobiliteit van de vervoerder mogelijk is, transparantie over de zichtbare en infrarode gebieden en perfecte compatibiliteit met silicium en complementaire metaaloxidehalfgeleidertechnologieën (CMOS). Als een passief golfgeleiderplatform, SiN vergemakkelijkt laserintegratie en vezelkoppeling met de golfgeleider, waardoor het ontwerp van geminiaturiseerde apparaten mogelijk wordt.

Een mooie toekomst voor op grafeen gebaseerde foto-elektronica

Het potentieel van grafeen benutten, onderzoekers hebben met succes datacommunicatie aangetoond met grafeen-fotonische componenten tot een datasnelheid van 50 Gb/s. Een op grafeen gebaseerde modulator verwerkte de gegevens aan de zenderzijde van het netwerk, het coderen van een elektronische datastroom naar een optisch signaal. Aan de kant van de ontvanger, een op grafeen gebaseerde fotodetector zette de optische modulatie om in een elektronisch signaal. "Deze resultaten zijn een veelbelovende start voor het gebruik van op grafeen gebaseerde fotonische apparaten in datacommunicatie van de volgende generatie, ’, besluit Neumaier.