石墨烯光调制器可能导致超快通信

伯克利—加州大学伯克利分校的科学家展示了一种新的石墨烯技术,该技术可能会打破当前数字通信的速度限制。

由加州大学伯克利分校工程学教授张翔领导的研究团队构建了一个微型光学设备,该设备使用石墨烯(一种单原子厚的结晶碳层)来打开和关闭光。这种交换能力是网络调制器的基本特征,该网络调制器控制数据包的传输速度。数据脉冲发送得越快,可以发送的信息量就越大。研究人员说,基于石墨烯的调制器可能很快使消费者能够在几秒钟内将全长,高清3D电影流式传输到智能手机上。

“This is the world’是最小的光调制器,而数据通信中的调制器是速度控制的核心,”张说,他是加州大学伯克利分校的国家科学基金会(NSF)纳米科学与工程中心的负责人。“石墨烯使我们能够制造出极其紧凑的调制器,并且其性能可能比当前技术所允许的速度快十倍。这项新技术将大大增强我们在超快速光通信和计算方面的能力。”

在5月8日该杂志的高级在线出版物中描述的最新工作中 性质,研究人员能够对石墨烯进行电调谐,以吸收数据通信所用波长的光。这一进步为石墨烯增加了另一项优势,石墨烯自2004年首次从石墨中提取以来就已成为一种奇妙的材料,石墨是铅笔芯中的相同元素。这项成就使曼彻斯特大学的科学家安德烈·吉姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)去年获得了诺贝尔物理学奖。

张教授与加州大学伯克利分校的物理学助理教授,超快纳米光学小组负责人王峰一起工作。张和王都是劳伦斯伯克利国家实验室的教授’材料科学系。

“这项技术的影响将是深远的,” said Wang. “除了高速操作以外,基于石墨烯的调制器还可能由于石墨烯而导致非常规应用’灵活且易于与各种材料集成。石墨烯还可以用于调制新的频率范围,例如分子感测中广泛使用的中红外光。”

石墨烯是迄今已知的最薄,最坚固的晶体材料。它可以像橡胶一样被拉伸,并且具有出色的导热和导电性能。石墨烯的最后质量使其成为电子产品特别有吸引力的材料。

“石墨烯与硅技术兼容,并且制造非常便宜,”张博士后研究员刘明说’的实验室和该研究的共同主要作者。“去年,韩国的研究人员已经生产了30英寸的纸张。此外,需要很少的石墨烯作为调节剂。铅笔中的石墨可以提供足够的石墨烯来制造10亿个光学调制器。”

It is the behavior of photons and electrons in graphene that first caught the attention of the UC 伯克利researchers.

研究人员发现,电子的能量(称为费米能级)可以很容易地改变,具体取决于施加到材料上的电压。石墨烯’费米能级反过来决定了光是否被吸收。

当施加足够的负电压时,电子会从石墨烯中抽出并且不再可用于吸收光子。光是“switched on”因为当光子通过时,石墨烯变得完全透明。

石墨烯在某些正电压下也是透明的,因为在那种情况下,电子变得紧密堆积,以至于它们无法吸收光子。

研究人员在中间施加了足够的电压,从而发现电子可以阻止光子通过,从而有效地切换了光,从而在中间找到了一个最佳点。“off.”

“如果石墨烯是走廊,而电子是人,那么可以说,当大厅是空的时,’没人阻止光子,”《自然》杂志的首席合著者,张国research的研究科学家尹晓波说’s lab. “另一方面,当大厅过于拥挤时,人们可以’不能移动,并且对阻挡光子无效。它’在这两种情况之间,允许电子与光子相互作用并吸收光子,并且石墨烯变得不透明。”

在他们的实验中,研究人员将石墨烯放在硅波导的顶部,以制造光调制器。研究人员能够达到1 GHz的调制速度,但他们指出,单个调制器的速度理论上可以达到500 GHz。

尽管基于光学的组件比那些使用电的组件具有许多优势,包括能够更快地传输更密集的数据包的能力,但是创建整洁地装配在计算机芯片上的光学互连的尝试却因其所需的相对较大的空间而受阻。光子学。

研究人员指出,光波在狭窄空间中的敏捷性不如电波,因此基于光子的应用主要局限于大型设备,例如光纤线路。

“电子可以很容易地转成L形,因为它们工作的波长很小,” said Zhang. “光波长通常较大,因此它们需要更多的操作空间。它’就像转弯时拉长的豪华轿车,而不是骑摩托车。那’这就是为什么光学系统需要笨重的镜子来控制其运动。缩小光学器件的尺寸还可以使其速度更快,因为石墨烯的单原子层可以显着降低电容—保持电荷的能力—这通常会阻碍设备速度。”

研究人员说,基于石墨烯的调制器可以克服光学设备的空间障碍。他们成功地将基于石墨烯的光调制器缩小到相对较小的25平方微米,其尺寸约为人发的400倍。典型的商用调制器的占用空间可大到几平方毫米。

即使是这么小的尺寸,石墨烯在带宽能力方面也具有优势。石墨烯可以吸收从紫外到红外波长的数千纳米范围内的广谱光。研究人员说,与当前最新的调制器相比,这可以使石墨烯承载更多的数据,后者的工作带宽高达10纳米。

“基于石墨烯的调制器不仅可以提高调制速度,还可以使每个脉冲中打包更多的数据,” said Zhang. “代替宽带,我们将拥有‘extremeband.’我们在这里看到的以及基于石墨烯的调制器所取得的巨大进步,不仅在消费电子领域,而且在如今受到数据传输速度限制的任何领域,包括生物信息学和天气预报,都得到了巨大的改进。我们希望在未来几年内看到这种新设备的工业应用。”

加州大学伯克利分校的其他合著者是研究生Erick Ulin-Avila和博士后研究员Thomas Zentgraf’实验室王进生和访问学者耿百松和研究生龙菊’s lab.

NSF纳米科学与工程中心可扩展和集成的纳米制造中心(SINAM)为这项工作提供了支持。能源部资助’劳伦斯伯克利国家实验室的基本能源科学计划也帮助支持了这项研究。



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