L'integrazione di fogli di grafene nella fotonica del silicio potrebbe costituire la base per le comunicazioni di dati di prossima generazione. I ricercatori dell'iniziativa Graphene Flagship hanno avvicinato la tecnologia all'applicazione dimostrando la prima comunicazione dati al mondo ad alta velocità basata sul grafene a una velocità di trasmissione dati di 50 Gb/s.

Il programma Graphene Flagship mira a fungere da catalizzatore per lo sviluppo di applicazioni innovative riunendo il mondo accademico e l'industria per portare questo materiale versatile nella società entro 10 anni. L'importanza dell'integrazione del grafene nella fotonica del silicio era evidente nei risultati congiunti prodotti dalla collaborazione tra i partner Flagship AMO GmbH (Germania), il Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT) (Italia), Ericsson (Svezia), Università di Gand (Belgio), l'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO) (Spagna), imec (Belgio), Nokia (Germania e Italia), l'Università di Tecnologia di Vienna (TU Wien) (Austria) e l'Università di Cambridge (Regno Unito).

Meraviglia a un chip

Il silicio è stato ampiamente acclamato come adatto per l'integrazione monolitica per la fotonica. Però, aumentare la velocità e ridurre la potenza e l'ingombro dei componenti chiave della tecnologia fotonica al silicio non è stato raggiunto in un singolo chip, ad oggi. Ma il grafene, con la sua capacità di emissione del segnale, modulazione e rilevamento:può essere la prossima tecnologia dirompente per raggiungere questo obiettivo.

"Il grafene offre una soluzione all-in-one per le tecnologie optoelettroniche, " nota Daniel Neumaier di AMO GmbH, Leader della divisione Flagships del grafene sull'integrazione di elettronica e fotonica. Le sue proprietà ottiche regolabili, elevata mobilità elettrica, il funzionamento a banda larga spettrale e la compatibilità con la fotonica del silicio consentono l'integrazione monolitica di modulatori di fase e di assorbimento, interruttori e fotorivelatori. L'integrazione su un singolo chip può aumentare le prestazioni del dispositivo e ridurne sostanzialmente l'ingombro ei costi di fabbricazione.

Non del tutto bloccato sul silicio

La modulazione e il rilevamento della luce sono operazioni chiave nei circuiti integrati fotonici. Mancando una banda proibita, il grafene rende possibile il rilevamento della luce a banda larga con un singolo materiale poiché assorbe uniformemente su un'ampia gamma nello spettro visibile e infrarosso. Il materiale 2-D mostra anche effetti di elettroassorbimento ed elettrorifrazione che possono essere utilizzati per la modulazione ultraveloce.

Invece di fare affidamento sulla costosa tecnologia wafer silicio su isolante ampiamente utilizzata nella fotonica del silicio, I ricercatori di Graphene Flagship hanno proposto una configurazione più conveniente. Questo consisteva in una coppia di strati di grafene a strato singolo (SLG), un condensatore costituito da uno stack SLG-isolatore-SLG sopra una guida d'onda passiva. "Una tale disposizione vanta diversi vantaggi rispetto ai modulatori fotonici al silicio, " spiega Neumaier. Come sottolinea ulteriormente, la fabbricazione del modulatore non si basa sul materiale della guida d'onda o sui meccanismi di modulazione dell'elettroassorbimento e dell'elettrorifrazione. Inoltre, la sostituzione dei fotorilevatori al germanio con SLG elimina la necessità dei moduli piuttosto costosi dell'epitassia al germanio e dei relativi processi di drogaggio specializzati.

Il nitruro di silicio (SiN) ha fornito un buon substrato per la sintesi di grafene, consentendo un'elevata mobilità dei vettori, trasparenza sulle regioni del visibile e dell'infrarosso e perfetta compatibilità con le tecnologie del silicio e dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS). Come piattaforma di guida d'onda passiva, SiN facilita l'integrazione del laser e l'accoppiamento della fibra alla guida d'onda, consentendo così 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 di dati con componenti fotonici di grafene fino a una velocità di trasmissione dati di 50 Gb/s. Un modulatore a base di grafene ha elaborato i dati sul lato trasmettitore della rete, codificare un flusso di dati elettronici in un segnale ottico. Dal lato del ricevitore, un fotorilevatore a base di grafene ha convertito la modulazione ottica in un segnale elettronico. "Questi risultati sono un inizio promettente per l'utilizzo di dispositivi fotonici a base di grafene nelle comunicazioni di dati di prossima generazione, "Neumaier conclude.