Rendimiento espectacular del grafeno en comunicaciones ópticas de alta velocidad
El programa Graphene Flagship se propone actuar como revulsivo para el desarrollo de aplicaciones innovadoras al aunar los esfuerzos de los sectores académico y empresarial para llevar este versátil material a la sociedad en un plazo de diez años. La importancia de integrar el grafeno en dispositivos fotónicos de silicio quedó patente a tenor de los resultados conjuntos obtenidos gracias a la colaboración entre los socios de Graphene Flagship, que incluyen a: AMO GmbH (Alemania), el Consorcio Nacional Interuniversitario de Telecomunicaciones (CNIT, Italia), Ericsson (Suecia), la Universidad de Gante (Bélgica), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, España), el imec (Bélgica), Nokia (Alemania e Italia), la Universidad Politécnica de Viena (TU Wien, Austria) y la Universidad de Cambridge (el Reino Unido). Una maravilla de un solo chip Existe un consenso generalizado sobre la idoneidad del silicio como material para la integración monolítica en la fotónica. Con todo, hasta el momento no se ha logrado aumentar la velocidad y reducir la potencia y la huella de los componentes básicos de la tecnología fotónica sobre silicio en un solo chip. Pero el grafeno, con su capacidad de emisión, modulación y detección de señales, puede erigirse como la próxima tecnología revolucionaria que permita lograr este cometido. «El grafeno constituye una solución integral para las tecnologías optoelectrónicas», comenta Daniel Neumaier de AMO GmbH, responsable de la División de Integración Fotónica y Electrónica de Graphene Flagship. Sus propiedades ópticas ajustables, alta conductividad eléctrica, banda espectral ancha de funcionamiento y compatibilidad con la tecnología fotónica sobre silicio permiten la integración monolítica de moduladores de fase y absorción, interruptores y fotodetectores. La integración en un solo chip puede aumentar el rendimiento de los dispositivos y reducir considerablemente su huella y costes de fabricación. No depender exclusivamente del silicio La modulación y la detección de luz son funciones fundamentales de los circuitos integrados fotónicos. El grafeno, al carecer de banda prohibida, permite la detección de luz de banda ancha con un solo material, ya que exhibe una capacidad de absorción uniforme en todo el rango espectral, desde el espectro visible hasta el infrarrojo. Este material bidimensional también posee propiedades de electroabsorción y electrorrefracción que pueden emplearse para la modulación ultrarrápida. En lugar de basarse en la costosa tecnología de obleas de silicio sobre aislante empleada con profusión en la tecnología fotónica sobre silicio, los investigadores de Graphene Flagship propusieron una configuración más conveniente. Esta consistía en un par de láminas de grafeno monocapa (SLG, por sus siglas en inglés), un condensador formado por una pila SLG-aislante-SLG sobre una guía de ondas pasiva. «Una disposición de este tipo presenta varias ventajas en comparación con los moduladores fotónicos de silicio», explica Neumaier. La fabricación del modulador no depende del material de la guía de ondas o de los mecanismos de modulación de electroabsorción y electrorrefracción, tal y como puntualiza el investigador. Además, la sustitución de los fotodetectores de germanio por el SLG elimina la necesidad de emplear módulos de epitaxia de germanio, que son bastante caros, y procesos especializados de dopaje asociados. El nitruro de silicio (SiN) demostró ser un buen sustrato para la síntesis de grafeno, lo que proporcionó una alta movilidad de los portadores de carga, transparencia en las regiones visible e infrarroja del espectro y una compatibilidad perfecta con las tecnologías de silicio y de semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS, por sus siglas en inglés). Como plataforma para la guía de ondas pasiva, el SiN facilita la integración láser y el acoplamiento de fibra en la guía de ondas, lo que favorece el diseño de dispositivos miniaturizados. Un futuro brillante para la fotoelectrónica basada en el grafeno Aprovechando el potencial del grafeno, los investigadores demostraron satisfactoriamente la comunicación de datos con componentes fotónicos de grafeno a una velocidad de transmisión de datos de hasta 50 Gb/s. Un modulador basado en grafeno procesaba los datos en el lado del transmisor de la red, codificando un flujo de datos electrónicos en una señal óptica. En el lado del receptor, un fotodetector basado en grafeno transformaba la modulación óptica en una señal electrónica. «Estos resultados constituyen un comienzo prometedor para el uso de dispositivos fotónicos basados en grafeno en la comunicación de datos de nueva generación», concluye Neumaier.
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