Esta es una ilustración esquemática del modulador óptico basado en grafeno. Se coloca una capa de grafeno (red de pesca negra) encima de una guía de ondas de silicio (azul), que se utiliza como fibra óptica para guiar la luz. Las señales eléctricas se envían desde el lado del grafeno para alterar la cantidad de fotones que absorbe el grafeno. Crédito:Gráfico de Ming Liu, UC Berkeley
(PhysOrg.com) - Científicos de la Universidad de California, Berkeley, han demostrado una nueva tecnología para el grafeno que podría romper los límites de velocidad actuales en las comunicaciones digitales.
El equipo de investigadores, dirigido por el profesor de ingeniería de UC Berkeley Xiang Zhang, construyó un diminuto dispositivo óptico que usa grafeno, una capa de carbono cristalizado de un átomo de espesor, para encender y apagar la luz. Esta capacidad de conmutación es la característica fundamental de un modulador de red, que controla la velocidad a la que se transmiten los paquetes de datos. Cuanto más rápido se envíen los pulsos de datos, cuanto mayor sea el volumen de información que se puede enviar. Los moduladores basados en grafeno pronto podrían permitir a los consumidores transmitir contenido completo, alta definición, Películas en 3-D en un teléfono inteligente en cuestión de segundos, dijeron los investigadores.
"Este es el modulador óptico más pequeño del mundo, y el modulador en las comunicaciones de datos es el corazón del control de velocidad, "dijo Zhang, quien dirige un Centro de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala de la National Science Foundation (NSF) en UC Berkeley. "El grafeno nos permite fabricar moduladores que son increíblemente compactos y que potencialmente funcionan a velocidades hasta diez veces más rápidas de lo que permite la tecnología actual. Esta nueva tecnología mejorará significativamente nuestras capacidades en la informática y la comunicación óptica ultrarrápidas".
En este último trabajo, descrito en la publicación avanzada en línea del 8 de mayo de la revista Naturaleza , Los investigadores pudieron sintonizar eléctricamente el grafeno para absorber la luz en las longitudes de onda utilizadas en la comunicación de datos. Este avance agrega otra ventaja al grafeno, que se ha ganado una reputación como material maravilloso desde 2004 cuando se extrajo por primera vez del grafito, el mismo elemento en mina de lápiz. Ese logro le valió a los científicos de la Universidad de Manchester Andre Geim y Konstantin Novoselov el Premio Nobel de Física el año pasado.
Zhang trabajó con su colega miembro de la facultad Feng Wang, profesor asistente de física y director del Grupo de nanoóptica ultrarrápida en UC Berkeley. Tanto Zhang como Wang son científicos de la facultad de la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
"El impacto de esta tecnología será de gran alcance, ", dijo Wang." Además de las operaciones de alta velocidad, Los moduladores basados en grafeno podrían conducir a aplicaciones no convencionales debido a la flexibilidad y facilidad de integración del grafeno con diferentes tipos de materiales. El grafeno también se puede utilizar para modular nuevos rangos de frecuencia, como la luz del infrarrojo medio, que se utilizan ampliamente en la detección molecular ".
El grafeno es el más delgado material cristalino más fuerte conocido hasta ahora. Se puede estirar como goma, y tiene el beneficio adicional de ser un excelente conductor de calor y electricidad. Esta última cualidad del grafeno lo convierte en un material especialmente atractivo para la electrónica.
"El grafeno es compatible con la tecnología de silicio y es muy barato de fabricar, "dijo Ming Liu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang y coautor principal del estudio. "El año pasado, los investigadores de Corea ya produjeron láminas de 30 pulgadas. Además, se requiere muy poco grafeno para su uso como modulador. El grafito de un lápiz puede proporcionar suficiente grafeno para fabricar mil millones de moduladores ópticos ".
Es el comportamiento de los fotones y electrones en el grafeno lo que primero llamó la atención de los investigadores de UC Berkeley.
Se muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) que amplía las estructuras clave del modulador óptico basado en grafeno. (Se agregaron colores para mejorar el contraste). Se utilizan electrodos de oro (Au) y platino (Pt) para aplicar cargas eléctricas a la hoja de grafeno, mostrado en azul, colocado encima de la guía de ondas de silicio (Si), se muestra en rojo. El voltaje puede controlar la transparencia del grafeno, convirtiendo efectivamente la configuración en un modulador óptico que puede encender y apagar la luz. (Imagen de Ming Liu)
Los investigadores encontraron que la energía de los electrones, conocido como su nivel de Fermi, se puede alterar fácilmente dependiendo del voltaje aplicado al material. El nivel de Fermi del grafeno a su vez determina si la luz se absorbe o no.
Cuando se aplica un voltaje negativo suficiente, los electrones se extraen del grafeno y ya no están disponibles para absorber fotones. La luz se "enciende" porque el grafeno se vuelve totalmente transparente a medida que pasan los fotones.
El grafeno también es transparente a ciertos voltajes positivos porque, en esa situación, los electrones se empaquetan tan apretadamente que no pueden absorber los fotones.
Los investigadores encontraron un punto óptimo en el medio donde se aplica el voltaje suficiente para que los electrones puedan evitar que los fotones pasen. efectivamente apagando la luz.
"Si el grafeno fuera un pasillo, y los electrones eran personas, Podrías decirlo, cuando el pasillo está vacío, no hay nadie alrededor para detener los fotones, "dijo Xiaobo Yin, coautor principal del artículo de Nature y científico investigador en el laboratorio de Zhang. "En el otro extremo, cuando la sala está demasiado llena, las personas no pueden moverse y son ineficaces para bloquear los fotones. Es entre estos dos escenarios donde los electrones pueden interactuar y absorber los fotones, y el grafeno se vuelve opaco ".
En su experimento, los investigadores colocaron grafeno en capas sobre una guía de ondas de silicio para fabricar moduladores ópticos. Los investigadores pudieron lograr una velocidad de modulación de 1 gigahercio, pero señalaron que, en teoría, la velocidad podría alcanzar los 500 gigahercios para un solo modulador.
Si bien los componentes basados en la óptica tienen muchas ventajas sobre los que usan electricidad, incluida la capacidad de transportar paquetes de datos más densos con mayor rapidez, Los intentos de crear interconexiones ópticas que encajen perfectamente en un chip de computadora se han visto obstaculizados por la cantidad relativamente grande de espacio que requiere la fotónica.
Las ondas de luz son menos ágiles en espacios reducidos que sus contrapartes eléctricas, los investigadores anotaron, por lo que las aplicaciones basadas en fotones se han limitado principalmente a dispositivos a gran escala, como líneas de fibra óptica.
"Los electrones pueden girar fácilmente en forma de L porque las longitudes de onda en las que operan son pequeñas, ", dijo Zhang." Las longitudes de onda de luz son generalmente más grandes, por lo que necesitan más espacio para maniobrar. Es como girar un largo limusina en lugar de una motocicleta a la vuelta de una esquina. Es por eso que la óptica requiere espejos voluminosos para controlar sus movimientos. Reducir la escala del dispositivo óptico también lo hace más rápido porque la capa atómica única de grafeno puede reducir significativamente la capacitancia, la capacidad de mantener una carga eléctrica, lo que a menudo obstaculiza la velocidad del dispositivo ".
Los moduladores basados en grafeno podrían superar la barrera espacial de los dispositivos ópticos, dijeron los investigadores. Redujeron con éxito un modulador óptico basado en grafeno a unos relativamente pequeños 25 micrones cuadrados, un tamaño aproximadamente 400 veces más pequeño que un cabello humano. La huella de un modulador comercial típico puede ser tan grande como unos pocos milímetros cuadrados.
Incluso en un tamaño tan pequeño, el grafeno tiene un gran impacto en la capacidad de ancho de banda. El grafeno puede absorber un amplio espectro de luz, abarcando miles de nanómetros desde longitudes de onda ultravioleta a infrarroja. Esto permite que el grafeno lleve más datos que los moduladores actuales de última generación, que operan con un ancho de banda de hasta 10 nanómetros, dijeron los investigadores.
"Los moduladores basados en grafeno no solo ofrecen un aumento en la velocidad de modulación, pueden permitir una mayor cantidad de datos empaquetados en cada pulso, ", dijo Zhang." En lugar de banda ancha, tendremos 'banda extrema'. Lo que vemos aquí y en el futuro con los moduladores basados en grafeno son enormes mejoras, no solo en electrónica de consumo, pero en cualquier campo que ahora esté limitado por las velocidades de transmisión de datos, incluida la bioinformática y la previsión meteorológica. Esperamos ver aplicaciones industriales de este nuevo dispositivo en los próximos años ".
