La integración de láminas de grafeno en la fotónica de silicio podría constituir la base para las comunicaciones de datos de próxima generación. Los investigadores de la iniciativa Graphene Flagship han acercado la tecnología a la aplicación al demostrar la primera comunicación de datos basada en grafeno de alta velocidad del mundo a una velocidad de datos de 50 Gb / s.

El programa Graphene Flagship tiene como objetivo actuar como un catalizador para el desarrollo de aplicaciones innovadoras al reunir a la academia y la industria para llevar este material versátil a la sociedad en un plazo de 10 años. La importancia de integrar el grafeno en la fotónica de silicio fue evidente en los resultados conjuntos producidos por la colaboración entre los socios emblemáticos AMO GmbH (Alemania), el Consorcio Nacional Interuniversitario de Telecomunicaciones (CNIT) (Italia), Ericsson (Suecia), Universidad de Gante (Bélgica), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) (España), imec (Bélgica), Nokia (Alemania e Italia), la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) (Austria) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido).

Maravilla de un chip

El silicio ha sido ampliamente aclamado como adecuado para la integración monolítica de la fotónica. Sin embargo, El aumento de la velocidad y la reducción de la potencia y la huella de los componentes clave de la tecnología fotónica de silicio no se ha logrado en un solo chip, hasta la fecha. Pero el grafeno, con su capacidad de emisión de señales, modulación y detección:puede ser la próxima tecnología disruptiva para lograrlo.

"Graphene ofrece una solución todo en uno para tecnologías optoelectrónicas, "señala Daniel Neumaier de AMO GmbH, Líder de la División Flagships de Graphene en Integración de Electrónica y Fotónica. Sus propiedades ópticas sintonizables, alta movilidad eléctrica, El funcionamiento de banda ancha espectral y la compatibilidad con la fotónica de silicio permiten la integración monolítica de moduladores de fase y absorción. interruptores y fotodetectores. La integración en un solo chip puede aumentar el rendimiento del dispositivo y reducir sustancialmente su huella y el costo de fabricación.

No completamente pegado al silicio

La modulación y la detección de la luz son operaciones clave en los circuitos integrados fotónicos. Sin una banda prohibida, el grafeno hace posible la detección de luz de banda ancha con un solo material, ya que absorbe uniformemente en un amplio rango en el espectro visible e infrarrojo. El material 2-D también muestra efectos de electroabsorción y electrorrefracción que se pueden utilizar para una modulación ultrarrápida.

En lugar de depender de la costosa tecnología de obleas de silicio sobre aislante ampliamente utilizada en la fotónica de silicio, Los investigadores de Graphene Flagship propusieron una configuración más conveniente. Consistía en un par de capas de grafeno de una sola capa (SLG), un condensador que consta de una pila SLG-aislante-SLG encima de una guía de ondas pasiva. "Esta disposición cuenta con varias ventajas en comparación con los moduladores fotónicos de silicio, ", explica Neumaier. Como explica más adelante, La fabricación del modulador no se basa en el material de la guía de ondas ni en los mecanismos de modulación de electroabsorción y electrorrefracción. Además, la sustitución de los fotodetectores de germanio por SLG elimina la necesidad de los módulos bastante costosos de epitaxia de germanio y los procesos de dopaje especializados que los acompañan.

El nitruro de silicio (SiN) proporcionó un buen sustrato para sintetizar grafeno, permitiendo una alta movilidad del operador, transparencia sobre las regiones visible e infrarroja y perfecta compatibilidad con tecnologías de silicio y semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS). Como plataforma de guía de ondas pasiva, SiN facilita la integración del láser y el acoplamiento de la fibra a la guía de ondas, permitiendo así el diseño de dispositivos miniaturizados.

Un futuro brillante para la fotoelectrónica basada en grafeno

Aprovechando el potencial del grafeno, Los investigadores demostraron con éxito la comunicación de datos con componentes fotónicos de grafeno hasta una velocidad de datos de 50 Gb / s. Un modulador basado en grafeno procesó los datos en el lado del transmisor de la red, codificar un flujo de datos electrónicos en una señal óptica. En el lado del receptor, un fotodetector basado en grafeno convirtió la modulación óptica en una señal electrónica. "Estos resultados son un comienzo prometedor para el uso de dispositivos fotónicos basados ​​en grafeno en las comunicaciones de datos de próxima generación, "Concluye Neumaier.