Ученые из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали оптическую технологию передачи данных на основе графена, которая способна ускорить цифровые коммуникации.

Ученые под руководством профессора Ксианг Жанг (Xiang Zhang) разработали крохотное оптическое устройство на основе графена, которое способно включать и выключать свет с высокой скоростью. Данная способность переключения света является фундаментальной характеристикой сетевого модулятора, который контролирует скорость передачи пакетов данных.

При этом, чем быстрее передаются импульсы данных, тем больший объем данных можно передавать. В результате, продемонстрированное устройство может обеспечивать высокую скорость передачи данных. Разработчики отмечают, что оно способно обеспечить 10-кратный прирост скорости передачи информации по сравнению с существующими технологиями.

Исследователи экспериментальным путем смогли достичь частоты модуляции 1 ГГц, но, теоретически, в результате улучшений можно достигать и более существенной частоты – до 500 ГГц. В то же время данное устройство достаточно компактно и не требует использования большого количества энергии.

Несколько слов о физике устройства. Ученые выяснили, что энергия электронов, называемая уровнем Ферми, может быть легко изменена в зависимости от напряжения, подаваемого на материал, и уровень Ферми в графене определяет, поглощен свет или нет. Когда подается достаточное отрицательное напряжение, электроны испускаются графеном и более не могут поглощать фотоны — в итоге свет «включен», так как графен становится полностью прозрачным для проходящих сквозь него фотонов. Графен также прозрачен и при определенных положительных напряжениях, ведь электроны становятся упакованными так плотно, что попросту не способны поглотить фотоны. В промежуточном своем состоянии графен эффективно «выключает» свет — электроны препятствуют прохождению фотонов сквозь него.

Рис. 1. Поверх кремниевого проводника (голубого цвета) располагается слой графена, на который со стороны через золотой (Au) и платиновый (Pt) электроды подается ток, за счет чего изменяется число фотонов, абсорбируемых графеном.

Так, экспериментальным путем удалось создать успешно функционирующий графеновый оптический модулятор, занимающий площадь всего 25 квадратных микрон, что в 400 раз меньше толщины человеческого волоса. Опять же 25-микронные размеры дадут жизнь тончайшим кабелям с уменьшенным емкостным сопротивлением. Коммерческие образцы модуляторов будут несколько больше, но все же достаточно компактными, их площадь составит несколько квадратных миллиметров.

Рис. 2. Фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующая пленку графена (отмечена синим цветом), призванная периодически блокировать прохождение света через кремниевый волновод (отмечен красным цветом) (фотография: UC Беркли).

По словам разработчиков, модуляторы на основе графена позволят передавать 3D фильмы в Full HD разрешении, занимающие большой объем, на смартфоны за считанные секунды.

Кроме того, отмечается, что графен может легко комбинироваться с другими материалами, что позволит получать достаточно оригинальные комбинации свойств. В частности, заявляется возможность модуляции сигналов в новых диапазонах частот, например, света среднего инфракрасного диапазона. Кроме того, графен способен абсорбировать свет (что соответствует выключенному состоянию) в широком диапазоне (несколько тысяч нанометров) от ультрафиолетового до инфракрасного, в то время как современные оптические модуляторы способны оперировать волнами длиной лишь около 10 нанометров.

По заверениям разработчиков, данная технология может начать эксплуатироваться в коммерческих масштабах в течение ближайших нескольких лет.

Исследования проводились в Center for Scalable and Integrated Nano-Manufacturing (SINAM) и NSF Nanoscale Science and Engineering Center при финансовой поддержке в рамках программы Basic Energy Science Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) Министерства энергетики США. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Для справки: Графен представляет собой самый тонкий и прочный материал из ныне обнаруженных. Впервые он был получен в 2004 году, и в 2010 его изобретатели стали обладателями Нобелевской премии по физике. Его свойства определяют растяжимость наподобие резины и исключительную проводимость тепла и электричества. Учёные всего мира занимаются исследованием его свойств и рассматривают варианты его применения в различных сферах. Графен дешев в производстве и совместим с технологией получения кремния. Любопытно, графита в карандаше окажется достаточно для выпуска одного миллиарда графеновых оптических модуляторов.