Уникальные свойства графена откроют новую эру сверхбыстрых и эффективных телекоммуникаций

Новое исследование, проведенное в Школе инженерных и прикладных наук Колумбийского университета (The Fu Foundation Schools of Engineering and Applied Science of the Columbia University in the New-York City), раскрывает замечательные оптические нелинейные свойства графена, которые можно будет использовать в различных оптических телекоммуникационных сетях и фотонных интегрированных системах с низким энергопотреблением. При помощи небольшой пластины графена толщиной всего в один атом углерода ученые трансформировали изначально пассивное устройство в активное, которое оказалось способным генерировать микроволновые фотонные сигналы и производить параметрические преобразования телекоммуникационных волн сверхмалой длины.

Изображение графена, полученное методом электронной микроскопии

«Нам удалось зарегистрировать и объяснить сильную нелинейную реакцию (отклик) графена, который является ключевым компонентом в новом гибридном устройстве», - говорит Тинджей Гу (Tingyi Gu), главный автор исследования и кандидат на звание доктора философии по направлению электронной инженерии. «Демонстрацию высокой энерго-эффективности этого графено-кремниевого гибридного фотонного чипа можно назвать важным шагом на пути к созданию оптических вычислительных элементов, которые крайне необходимы для значительно более быстрых телекоммуникационных систем. К тому же, было очень интересно изучать «магию» удивительных возможностей графена и наблюдать за тем, как использование этого материала увеличивает оптическую нелинейность – очень нужное для будущих цифровых систем и памяти свойство».

Научная работа, проходившая под руководством Чи Вей Вонга (Chee Wei Wong), профессора инженерной механики, директора Центра объединенных наук, инженерии и физики твердых тел, была опубликована на сайте Nature Photonics в разделе Advance Online Publication 15 июля, печатный вариант появится в августе.

Команда исследователей из Школы инженерных и прикладных наук, а также из Института микроэлектроники в Сингапуре занимается изысканиями в области оптической физики, материаловедения и физики устройств с целью развития  оптоэлектронных технологий нового поколения.

Ученые из этой международной группы сконструировали графено-кремниевое устройство, оптическая нелинейность которого позволяет системным параметрам (вроде коэффициента пропускания и преобразования длины волны) меняться вместе с уровнем входящего сигнала. Исследователи также установили, что, инициируя оптически электронный и термический отклик  в кремниевом чипе,  можно интегрировать несущую радиочастоту в передаваемый лазерный луч и контролировать процесс модуляции (изменения несущего волнового сигнала), корректируя интенсивность лазерного излучения или его цвета. Чередуя разные оптические частоты для подстройки радиочастоты, ученые выяснили, что новый гибридный чип осуществляет радиочастотную генерацию при резонансном факторе (resonant quality factor) в 50 раз меньше по сравнению с тем, которого на момент новых исследований смогли достичь другие ученые,  работавшие с кремнием.

Системы оптической обработки информации со сверхнизким потреблением энергии будут основаны на графеновых структурах, размещенных на кремниевых фотонных кристаллических наномембранах

«Нам посчастливилось наблюдать четырех-волновое смешивание в графено-кремниевых фотонных кристаллических «нановпадинах», - поясняет профессор Вонг. «В результате получилось сгенерировать новые оптические частоты с помощью нелинейного смешивания двух электромагнитных полей, задействовав для этого существенно меньшие энергии, таким образом снижается количество энергии на бит информации. Новая гибридная структура может служить в качестве платформы для полностью оптических систем обработки данных в компактном формате в фотонных контурах (по аналогии с электрическими цепями)».

Профессор Вонг благодарит своих выдающихся студентов за ту работу, которую они проделали в рамках исследования, и добавляет: “Мы рады, что нам повезло с возможностью скомбинировать оптическую нелинейность графена с фотонным контуром, размер которого укладывается в требования к современным микросхемам, с целью генерации микроволновых фотонных сигналов нового качества».До недавнего времени ученые могли работать только с отдельными микроскопическими кристаллами графена, что заметно ограничивало направления исследований. «Удачная реализация синтеза крупных пластин графена откроет путь к  коммерческому производству продукции на основе уже хорошо себя зарекомендовавших графеновых технологий», - отмечает Джеймс Хоун (James Hone), адъюнкт-профессор инженерной механики и руководитель команды, которая снабжала группу из Колумбийского университета высококачественным графеном. «Но в то же время, в крупных графеновых компонентах нуждаются ученые, занимающиеся как созданием принципиально новых устройств, так и фундаментальными исследованиями, связанными с этим уникальным материалом. Открытие наших коллег – это великолепный пример того, как можно совместить оба этих направления: использование крупных графеновых пластин позволило создать оптоэлектронные устройства, которые теперь пригодятся для выяснения природы пока еще новых для нас физических явлений».

Сверхбыстрые оптоэлектронные сети будущего поколения откроют новую эру в сфере телекоммуникаций

Комментируя открытие, Шианг Жанг (Xiang Zhang), директор Центра нанотехнологий в Калифорнийского университета в  Беркли (Еру Nanoscale Science and Engineering Center at the University of California at Berkeley), хвалит коллег и поясняет, что «это новое исследование, направленное на интеграцию графена с кремниевыми фотонными кристаллами, представляет большую ценность. Похоже, найден многообещающий метод создания будущих оптических систем связи с крайне низким энергопотреблением – и все благодаря столь тщательному изучению явления нелинейного отклика графена в кремниевой фотонике, показанному этой научной работе».

«Графен считается весьма полезным для электроники материалом, поскольку  электроны, обладающие высокой эффективностью в плане соотношения «масса/энергия», способны перемещаться в слое графена толщиной в один атом», - рассказывает Филипп Ким (Philip Kim), профессор физики из Колумбийского университета, один из пионеров исследования графена, ученый, открывший явление сверхпроводимости этого материала при низких температурах. «А новая работа ученых из нашего Университета дает понять нам, что графен – это также и превосходный электро-оптический материал, характеризующийся сверхбыстрой оптической модуляцией, проявляющейся при его комбинировании с кремниевыми фотонными кристаллическими структурами. Это свойство ляжет в основу новых, сверхбыстрых систем оптических коммуникаций, которые можно «уместить» в обычных компактных чипах».

--------

Телекоммуникации – возможность передавать информацию на больших расстояниях любыми способами. Вашему вниманию представлено телекоммуникационное оборудование для более качественной передачи данных. Более детально ознакомиться с ассортиментом можно на сайте http://united-it.ru/.