Исследователи из США предложили новую конструкцию оптического модулятора, построенного на базе двух слоев графена. Устройство отличается высокой производительностью и уже сейчас может работать на частоте 1 ГГц. По сравнению со своими аналогами, построенными на принципах кремниевой фотоники, новый оптический модулятор имеет множество преимуществ, включая, небольшие размеры, низкое энергопотребление и незначительные оптические потери.

К слову, устройство также отличается тем, что имеет отдельные модули оптического и электрического управления, что позволяет избежать проблемы поиска компромисса при оптимизации оптического и электрического дизайна, компромисса между скоростью работы и оптическими потерями в устройстве.

Рис. 1. Схематическое изображение предложенного американскими учеными оптического модулятора на базе двух слоев графена.

Графен представляет собой один плоский слой атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. За счет своих удивительных свойств данный материал потенциально может применяться в различных электронных и оптоэлектронных устройствах, например, при создании сверхбыстрых транзисторов. К слову, потенциально полезные для практических применений оптические свойства графена относятся к видимому и среднему инфракрасному диапазону длин волн электромагнитного излучения.

Кроме того, графен поглощает более 2% падающего на него ультрафиолетового и видимого излучения, что удивительно для материала, который имеет толщину всего в 1 атом.

Уникальные оптические свойства графена использовались уже во многих исследованиях. Еще одним шагом в этом направлении стала работа ученых из University of California и Lawrence Berkeley National Lab (США), в которой они использовали тот факт, что материал получает оптическую прозрачность, когда он заряжен. Результатом работы стало предложение новой конструкции оптического модулятора, применимой в коммерческих устройствах. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

Для формирования анода и катода в своей экспериментальной установке исследователи использовали два слоя графена. При появлении напряжения между «электродами», они становятся оптически-прозрачными, что позволяет рассматривать пространство между ними, как активную область готового оптического модулятора. Разработанный учеными дизайн похож на конструкцию обычного кремниевого оптического модулятора, в котором легированный кремний был заменен графеном. Таким образом,

конструкция не имеет тех существенных оптических потерь, которыми отличаются волноводы из легированного кремния.

Предложенное устройство имеет наименьшую площадь из всех функциональных конструкций подобного рода. Оно может достигать коэффициента амплитудной модуляции (глубины модуляции) 6,5 дБ при площади устройства всего 16 кв. мкм. Также данная конструкция потенциально может стать самым быстрым устройством в своем классе, работая при этом в широком диапазоне длин волн. Конструкцию не трудно изготовить, т.е. процесс производства можно масштабировать до коммерческих объемов.

По мнению разработчиков, предложенное ими устройство может найти применение в двух областях:

• в телекоммуникациях (где графеновый модулятор может стать одним из ключевых компонент архитектуры FTTx) и
• в передаче данных на чипе.

Во втором случае модулятор позволит решить проблему высокого потребления энергии и искажения данных на интерфейсах ввода-вывода, с которой сталкиваются все современные компьютеры. Важным качеством устройства, которое позволит активно применять его на практике, ученые считают стабильность в широком диапазоне температур.

Воодушевленная первым положительным результатом команда работает над усовершенствованием своего устройства с целью создать аналог, работающий на частоте 50 ГГц.