Автор AZoNano 17 февраля 2021 г.

За последние годы глобальный трафик данных пережил бум: более 12,5 миллиардов подключенных устройств по всему миру. Текущее всемирное развертывание телекоммуникационного стандарта 5G вызывает потребность в устройствах меньшего размера с улучшенными характеристиками, такими как более высокая скорость, более низкое энергопотребление и меньшая стоимость, а также более простая технологичность.

В поисках подходящей технологии фотонные устройства стали ведущей технологией для развития таких информационных и коммуникационных технологий, уже превосходя возможности современной микроэлектроники и КМОП-технологий.

В основе оптических систем связи лежат три основных компонента: модуляторы, волноводы и фотодетекторы. Модуляция света является ключевой для фотонных интегральных схем, поскольку она позволяет передавать несколько сигналов одновременно по одному каналу. В частности, модуляторы электропоглощения (EA) модулируют амплитуду света, проходящего через оптический волновод.

Пока что кремний и графен побеждают в гонке, так как они оказались наиболее масштабируемыми, экономичными и совместимыми с КМОП материалами для оптической модуляции и обнаружения. Модуляторы на основе графена уже продемонстрировали широкополосную оптическую полосу пропускания и температурную стабильность, но в некоторых случаях они были неспособны одновременно демонстрировать как высокую скорость, так и высокую эффективность модуляции из-за ограниченного качества графена и сочетания графена и диэлектрика. материал.

Итак, в исследовании, опубликованном в Nature Communications исследователи ICFO Хитеш Агарвал, Бернат Террес, Лоренцо Орсини под руководством профессора ICREA в ICFO Франка Коппенса в сотрудничестве с исследователями из Университета Пизы, CNIT, Гентский университет – IMEC и NIMS сообщили о новом модуляторах EA, способном продемонстрировать 3-кратное увеличение эффективности статической и динамической модуляции при сохранении высокой скорости, что превосходит значения для ранее описанных модуляторов EA на основе графена

.

Для достижения этой цели группа исследователей разработала высококачественный модулятор электропоглощения на основе графена, объединив высококачественный графен и диэлектрик с высоким коэффициентом k, также используемый в микроэлектронике. Высокое качество графена было достигнуто за счет его интеграции с диэлектрическим гексагональным нитридом бора (hBN) из 2d-материала. Интересно, что затем команда смогла добавить диэлектрический материал HfO2 с высоким k, расположенный между двумя слоями нитрида бора, что позволило работать с гораздо меньшими напряжениями и, в то же время, добиться симметричности и отсутствия гистерезиса из-за высокое качество графена. Таким образом, комбинация диэлектриков смогла увеличить емкость модулятора EA без ущерба для устойчивости устройства к высоким напряжениям, сохранить высокую подвижность носителей заряда (увеличивая эффективность модуляции) при сохранении низкого уровня легирования.

Как комментирует Хитеш Агарвал, исследователь из ICFO и первый автор исследования, : «Поскольку одним из основных препятствий для интеграции графена в производственные линии КМОП является его несовместимость с высококалорийными оксидами, это побудило нас для построения структуры hBN-HfO2-hBN. Нам удалось не только достичь высокой эффективности модуляции (благодаря диэлектрику с высоким содержанием K), но и более высокой скорости (благодаря повышенной мобильности) »

«Мы ждали некоторое время, чтобы увидеть выдающиеся фундаментальные возможности графена для раскрытия в приложениях», – добавляет Бернат Террес, исследователь постдока в ICFO и соответствующий автор работы. Он также подчеркивает, что «Оптоэлектроника – одна из первых, где этот 2D-материал превосходит современные современные технологии, открывая обнадеживающие перспективы для других коммерческих приложений».

Таким образом, устройство было способно превзойти предыдущие модуляторы, работать на высоких скоростях, сохраняя при этом очень высокую эффективность модуляции, низкое энергопотребление, достигая рекордной полосы пропускания 39 ГГц, со скоростью до 40 Гбит / с и следовательно, преодоление фундаментальных ограничений, достигнутых до сих пор с двухслойными графеновыми системами.

Совместимость этого устройства с кремниевой технологией и микроэлектроникой может способствовать усовершенствованиям масштабирования, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время в фотонной промышленности, а также реализовать этот тип технологии для гораздо большего числа функций в электронных и оптоэлектронных приложениях. Такие результаты определенно могут принести пользу приложениям для высокоскоростных оптических сетей с малой задержкой, таких как автономные транспортные средства, удаленная хирургия, Интернет вещей и многие другие.

Соавтор исследования, Марко Романьоли, исследователь CNIT и руководитель рабочего пакета Graphene Flagship, комментирует: «Этот новый научный результат сверхбыстрого модулятора электроабсорбции открывает путь к непрерывной гонке за скоростью, демонстрируя наивысшая электрооптическая полоса пропускания, достигнутая с помощью графена и 2D-материалов. Кроме того, эта работа также является первым примером полной 3D-интеграции, полностью реализованной путем сборки различных типов 2D-материалов, демонстрируя потенциальные возможности этих новых путей в микротехнологии интегральных схем ».

Кроме того, Вольфганг Темпл из Nokia Bell Labs подчеркивает «Эта работа показывает, что обсуждаемая диэлектрическая интеграция 2D-3D высококачественных двухслойных инкапсулированных графеновых структур может открыть путь к реализации новых высокопроизводительных и микропоглощающие модуляторы (EAM), которые могут быть объединены с электроникой на основе Si в самые современные высокоинтегрированные фотонные схемы ».

Наконец, Франк Коппенс, профессор ICREA в ICFO и руководитель рабочего пакета Graphene Flagship, отмечает : «Трафик данных быстро растет и принесет большую пользу обществу, например, за счет создания автономных транспортных средств. Потребление энергии высокое. Скорость передачи данных, однако, является ключевой проблемой, которую необходимо решить. Я рад видеть, что модуляторы на основе графена с гораздо меньшим энергопотреблением, как показано в этой работе, могут одновременно решать две социальные проблемы е. "

Источник: http://www.icfo.es