Вчені з Каліфорнійського університету в Берклі продемонстрували оптичну технологію передачі даних на основі графена, яка здатна прискорити цифрові комунікації

Вчені під керівництвом професора Ксианг Жанг (Xiang Zhang) розробили крихітне оптичне пристрій на основі графена, яке здатне включати і вимикати світло з високою швидкістю. Дана здатність перемикання світла є фундаментальною характеристикою мережевого модулятора, який контролює швидкість передачі пакетів даних.

При цьому, чим швидше передаються імпульси даних, тим більший обсяг даних можна передавати. В результаті, продемонстровану пристрій може забезпечувати високу швидкість передачі даних. Розробники відзначають, що воно здатне забезпечити 10-кратний приріст швидкості передачі інформації порівняно з існуючими технологіями.

Дослідники експериментальним шляхом змогли досягти частоти модуляції 1 ГГц, але, теоретично, в результаті поліпшень можна досягати і більш істотною частоти – до 500 ГГц. В той же час цей пристрій досить компактно і не вимагає використання великої кількості енергії.

Кілька слів про фізику пристрою. Вчені з’ясували, що енергія електронів, називається рівнем Фермі, може бути легко змінена в залежності від напруги, що подається на матеріал, і рівень Фермі в графені визначає, поглинений світло чи ні. Коли подається достатню негативне напруга, електрони випускаються графеном і більше не можуть поглинати фотони — в результаті світло «включений», так як графен стає повністю прозорим для проходять крізь нього фотонів. Графен також прозорий і при певних позитивних напругах, адже електрони стають упакованими так щільно, що просто не здатні поглинути фотони. У своєму проміжному стані графен ефективно «вимикає» світло — електрони перешкоджають проходженню фотонів крізь нього.


Рис. 1. Поверх кремнієвого провідника (блакитного кольору) розташовується шар графену, на який з боку через золотий (Au) і platinum (Pt) електроди подається струм, за рахунок чого змінюється число фотонів, абсорбируемых графеном.

Так, експериментальним шляхом вдалося створити успішно функціонує графеновий оптичний модулятор, що займає площу всього 25 квадратних мікрон, що в 400 разів менше товщини людського волоса. Знову ж таки 25-мікронні розміри дадуть життя найтоншим кабелях із зменшеним ємнісним опором. Комерційні зразки модуляторів будуть трохи більше, але все ж досить компактними, їх площа становитиме кілька квадратних міліметрів.


Рис. 2. Фотографія, отримана з допомогою скануючого електронного мікроскопа, що демонструє плівку графену (позначена синім кольором), покликана періодично блокувати проходження світла через кремнієвий хвилевід (відзначений червоним кольором) (фотографія: UC Berkeley).

За словами розробників, модулятори на основі графену дозволять передавати 3D фільми в Full HD дозволі, що займають великий обсяг, на смартфони за лічені секунди.

Крім того, наголошується, що графен може легко комбінуватися з іншими матеріалами, що дозволить отримувати досить оригінальні комбінації властивостей. Зокрема, заявляється можливість модуляції сигналів в нових діапазонах частот, наприклад, світла середнього інфрачервоного діапазону. Крім того, графен здатний абсорбувати світло (що відповідає вимкненому станом) в широкому діапазоні (кілька тисяч нанометрів) від ультрафіолетового до інфрачервоного, в той час як сучасні оптичні модулятори здатні оперувати хвилями довжиною лише близько 10 нанометрів.

За запевненням розробників, ця технологія може почати експлуатуватися в комерційних масштабах протягом найближчих кількох років.

Дослідження проводилися в Center for Scalable and Integrated Nano-Manufacturing (SINAM) і NSF Nanoscale Science and Engineering Center за фінансової підтримки в рамках програми Basic Energy Science Національної лабораторії Лоренса Берклі (Lawrence Berkeley National Laboratory) Міністерства енергетики США. Результати роботи опубліковані в журналі Nature.

Для довідки: Графен являє собою самий тонкий і міцний матеріал з нині виявлених. Вперше він був отриманий у 2004 році, і в 2010 його винахідники стали володарями Нобелівської премії з фізики. Його властивості визначають розтяжність зразок гуми і виняткову провідність тепла і електрики. Вчені всього світу займаються дослідженням його властивостей і розглядають варіанти його застосування в різних сферах. Графен дешевий у виробництві і сумісний з технологією отримання кремнію. Цікаво, графіту в олівці виявиться достатньо для випуску одного мільярда графенових оптичних модуляторів.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *