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Le spettacolari prestazioni del grafene nelle comunicazioni ottiche ad alta velocità

L’integrazione di strati di grafene nella fotonica del silicio potrebbe costituire la base per le comunicazioni dati di prossima generazione. Alcuni ricercatori dell’iniziativa Graphene Flagship hanno portato la tecnologia più vicina al suo impiego pratico dimostrando la prima comunicazione dati ad alta velocità basata sul grafene, con una velocità di trasmissione dati di 50 Gb/s.

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Il programma Graphene Flagship intende fungere da catalizzatore per lo sviluppo di applicazioni all’avanguardia, mettendo insieme il mondo accademico e quello industriale per portare questo materiale versatile alla gente entro 10 anni. L’importanza dell’integrazione del grafene nella fotonica del silicio era evidente nei risultati comuni prodotti dalla collaborazione tra i partner dell’iniziativa Flagship AMO GmbH (Germania), Consorzio nazionale interuniversitario per le telecomunicazioni (CNIT) (Italia), Ericsson (Svezia), Università di Gand (Belgio), Istituto di Scienze fotoniche (ICFO) (Spagna), imec (Belgio), Nokia (Germania e Italia), Università tecnica di Vienna (TU Wien) (Austria) e Università di Cambridge (Regno Unito). Il chip delle meraviglie Il silicio è stato accolto con favore da molti in quanto adatto all’integrazione monolitica nel campo della fotonica. Tuttavia, l’obiettivo di aumentare la velocità e ridurre la potenza e l’impronta dei componenti chiave della tecnologia della fotonica del silicio non è stato ancora raggiunto in un singolo chip. Ma il grafene, con la sua capacità di emettere, modulare e rilevare il segnale, può essere la prossima tecnologia di rottura a ottenere questo risultato. «Il grafene offre una soluzione omnicomprensiva per le tecnologie optoelettroniche», fa notare Daniel Neumaier di AMO GmbH, a capo della divisione della Graphene Flagship riguardante l’integrazione di elettronica e fotonica. Le sue proprietà ottiche modulabili, l’alta mobilità elettrica, il funzionamento spettralmente in banda larga e la compatibilità con la fotonica del silicio consentono l’integrazione monolitica di modulatori, commutatori e fotorivelatori di fase e assorbimento. L’integrazione su un singolo chip può incrementare le prestazioni del dispositivo e ridurne notevolmente l’impronta e il costo di fabbricazione. Non del tutto attaccato sul silicio La modulazione e il rilevamento della luce sono operazioni chiave nei circuiti fotonici integrati. Dal momento che non presenta una banda proibita, il grafene rende possibile il rilevamento della luce a banda larga con un solo materiale, visto che assorbe in modo uniforme all’interno di un’ampia gamma nello spettro visibile e infrarosso. Il materiale 2D mostra anche effetti di elettro-assorbimento ed elettro-rifrazione che possono essere usati per una modulazione ultra veloce. Invece di fare affidamento sulla costosa tecnologia a wafer del silicio su isolante largamente usata nella fotonica del silicio, i ricercatori dell’iniziativa Graphene Flagship hanno proposto una configurazione più vantaggiosa, che consisteva in un paio di strati di grafene a singolo strato (SLG), un condensatore formato da una pila SLG-isolante-SLG sopra una guida d’onda passiva. «Una simile disposizione presenta diversi vantaggi rispetto ai modulatori fotonici al silicio», spiega Neumaier. Scendendo nei dettagli, la fabbricazione del modulatore non dipende dal materiale della guida d’onda o dai meccanismi di modulazione con elettro-assorbimento ed elettro-rifrazione. Inoltre, la sostituzione dei fotorivelatori al germanio con l’SLG elimina la necessità degli alquanto costosi moduli della deposizione epitassiale del germanio e dei relativi procedimenti specializzati di drogaggio. Il nitruro di silicio (SiN) ha fornito un valido substrato per la sintesi del grafene, rendendo possibile un’elevata mobilità del portatore, trasparenza nella regione visibile e in quella infrarossa e perfetta compatibilità con la tecnologia del silicio e con quella dei semiconduttori metallo-ossidi complementari (CMOS). In quanto piattaforma della guida d’onda passiva, il SiN facilita l’integrazione laser e l’accoppiamento delle fibre alla guida d’onda, consentendo quindi la progettazione di dispositivi miniaturizzati. Un futuro luminoso per la fotoelettronica basata sul grafene Sfruttando il potenziale del grafene, i ricercatori hanno dimostrato con successo la comunicazione dati con componenti fotonici al grafene fino a velocità di 50 Gb/s. Un modulatore basato sul grafene ha elaborato i dati dalla parte che trasmetteva della rete, codificando un flusso elettronico di dati in un segnale ottico. Dalla parte che riceveva, un fotorivelatore basato sul grafene ha convertito la modulazione ottica in un segnale elettronico. «Questi risultati sono un inizio promettente per l’utilizzo di dispositivi fotonici basati sul grafene nelle comunicazioni dati di prossima generazione», conclude Neumaier.

Paesi

Svezia