Lompatan kinerja untuk modulator graphene di datacom dan telekomunikasi generasi berikutnya
Tele

Lompatan kinerja untuk modulator graphene di datacom dan telekomunikasi generasi berikutnya


Ilustrasi artistik modulator elektro-absorpsi berbasis graphene. Kredit: © ICFO / D. Alcaraz

Selama beberapa tahun terakhir, lalu lintas data global telah mengalami ledakan, dengan lebih dari 12,5 miliar perangkat yang terhubung di seluruh dunia. Penerapan standar telekomunikasi 5G di seluruh dunia saat ini memicu kebutuhan akan perangkat yang lebih kecil dengan kinerja yang ditingkatkan, seperti kecepatan yang lebih tinggi, konsumsi daya yang lebih rendah, dan biaya yang lebih rendah serta kemudahan pembuatan.

Dalam mencari teknologi yang tepat, perangkat fotonik muncul sebagai teknologi terdepan untuk evolusi teknologi informasi dan komunikasi, yang telah melampaui kemampuan teknologi mikroelektronika dan CMOS saat ini.

Sistem komunikasi optik bergantung pada tiga komponen dasar: modulator, pandu gelombang, dan detektor foto. Modulasi cahaya adalah kunci untuk sirkuit terintegrasi fotonik karena memungkinkan untuk mengirimkan banyak sinyal secara bersamaan melalui satu saluran. Lebih khusus lagi, modulator elektro-absorpsi (EA) memodulasi amplitudo cahaya yang melewati pandu gelombang optik.

Sejauh ini, silikon dan graphene memenangkan perlombaan karena terbukti menjadi bahan yang paling dapat diskalakan, hemat biaya, dan kompatibel dengan CMOS untuk modulasi dan deteksi optik. Modulator berbasis graphene telah menunjukkan bandwidth optik broadband dan stabilitas suhu, tetapi terkadang, mereka tidak mampu menunjukkan efisiensi modulasi kecepatan tinggi dan tinggi secara bersamaan, karena kualitas graphene yang terbatas dan kombinasi antara graphene dan dielektrik bahan.

Sekarang, dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Komunikasi Alam, Peneliti ICFO Hitesh Agarwal, Bernat Terrés, Lorenzo OrsinI, dipimpin oleh Profesor ICREA di ICFO Frank Koppens, bekerja sama dengan peneliti dari Universita di Pisa, CNIT, Universitas Ghent-IMEC, dan NIMS telah melaporkan tentang modulator EA baru yang mampu menunjukkan Peningkatan 3 kali lipat dalam efisiensi modulasi statis dan dinamis sambil mempertahankan kecepatan tinggi, nilai yang melampaui yang dilaporkan sebelumnya untuk modulator graphene EA.

Untuk mencapai hal ini, tim peneliti mengembangkan modulator elektro-absorpsi berbasis graphene berkualitas tinggi dengan menggabungkan graphene berkualitas tinggi dan dielektrik k tinggi, juga digunakan dalam mikroelektronika. Kualitas graphene yang tinggi dicapai dengan mengintegrasikannya dengan dielektrik hexagonal boron nitride (hBN) bahan 2d. Yang cukup menarik, tim kemudian dapat menambahkan bahan dielektrik high-k HfO2 yang diapit di antara dua lapisan boron nitrida, yang memungkinkan pengoperasian dengan voltase yang jauh lebih kecil, dan, pada saat yang sama, mencapai simetris dan bebas histeresis karena kualitas tinggi dari graphene tersebut. Dengan melakukan ini, kombinasi dielektrik dapat meningkatkan kapasitansi modulator EA tanpa mengorbankan kekokohan perangkat terhadap tegangan tinggi, menjaga mobilitas muatan yang tinggi (meningkatkan efisiensi modulasi) sambil mempertahankan tingkat doping yang rendah.

Lompatan kinerja untuk modulator Graphene dalam datacom dan telekomunikasi generasi berikutnya

Chip modulator elektro-absorpsi berbasis grafena sedang dipelajari di lab. Kredit: © ICFO

Seperti Hitesh Agarwal, peneliti di ICFO dan penulis pertama studi, berkomentar, “Karena salah satu hambatan utama untuk integrasi graphene ke dalam garis pabrikan CMOS adalah ketidakcocokannya dengan oksida-k tinggi, ini memotivasi kami untuk membangun struktur hBN -HfO2-hBN. Tidak hanya kami berhasil mencapai efisiensi modulasi yang tinggi (karena dielektrik-K tinggi), tetapi juga kecepatan yang lebih tinggi (karena peningkatan mobilitas). “

“Kami telah menunggu beberapa saat untuk melihat kemampuan fundamental yang luar biasa dari graphene untuk dilepaskan dalam aplikasi”, Bernat Terrés, peneliti Postdoc di ICFO dan penulis terkait dari pekerjaan tersebut, menambahkan. Dia juga menekankan bahwa “Optoelektronik adalah salah satu yang pertama di mana bahan 2-D ini mengatasi teknologi canggih saat ini, membawa prospek yang menggembirakan untuk aplikasi komersial lainnya”.

Singkatnya, perangkat ini mampu mengungguli modulator sebelumnya, beroperasi pada kecepatan tinggi sambil mempertahankan efisiensi modulasi yang sangat tinggi, konsumsi daya rendah, mencapai rekor bandwidth 39GHz, dengan operasi hingga kecepatan 40Gbps, dan akibatnya mengatasi keterbatasan mendasar diperoleh sejauh ini dengan sistem graphene lapisan ganda.

Kompatibilitas perangkat ini dengan teknologi silikon dan mikroelektronika dapat memfasilitasi peningkatan penskalaan yang kita hadapi saat ini untuk industri fotonik serta menerapkan jenis teknologi ini untuk rentang fungsi yang jauh lebih besar dalam aplikasi elektronik dan optoelektronik. Hasil tersebut pasti dapat menguntungkan aplikasi untuk jaringan optik berkecepatan tinggi dan latensi rendah seperti kendaraan otonom, operasi jarak jauh, IoT, dan lain-lain.

Kolaborator penelitian, Marco Romagnoli, peneliti di CNIT dan pemimpin paket kerja dari Graphene Flagship, berkomentar, “Hasil ilmiah baru dari modulator penyerapan elektro ultra cepat ini membuka jalan menuju perlombaan terus menerus untuk kecepatan yang menunjukkan bandwidth elektro-optik tertinggi yang dicapai dengan bahan graphene dan 2-D. Selain itu, pekerjaan ini juga merupakan contoh pertama dari integrasi 3-D penuh yang sepenuhnya diwujudkan dengan merakit berbagai jenis bahan 2-D yang menunjukkan potensi rute baru ini dalam fabrikasi mikro sirkuit terintegrasi. “

Selain itu, Wolfgang Templ, dari Nokia Bell Labs menyoroti “Pekerjaan ini menunjukkan bahwa integrasi dielektrik 2-D-3-D yang didiskusikan dari struktur Graphene yang dienkapsulasi lapisan ganda berkualitas tinggi dapat membuka jalan bagi realisasi kinerja tinggi baru dan mikro- modulator penyerapan elektro berukuran (EAMs) yang dapat dikombinasikan dengan elektronik berbasis Si ke dalam sirkuit fotonik terintegrasi tinggi yang paling canggih “.

Terakhir, Frank Koppens, Profesor ICREA di ICFO dan pemimpin paket kerja dari Graphene Flagship, menunjukkan “Lalu lintas data berkembang pesat dan akan sangat bermanfaat bagi masyarakat, misalnya dengan mengaktifkan kendaraan otonom. Konsumsi daya dari tingkat lalu lintas data yang tinggi, bagaimanapun, adalah tantangan utama yang perlu ditangani. Saya senang melihat modulator berbasis graphene dengan konsumsi daya yang jauh lebih rendah, seperti yang ditunjukkan dalam pekerjaan ini, dapat mengatasi dua tantangan sosial pada saat yang bersamaan. ”


Produksi skala wafer dari perangkat fotonik berbasis graphene


Informasi lebih lanjut:
Agarwal, H., Terrés, B., Orsini, L. et al. Integrasi 2D-3D dari boron nitrida heksagonal dan dielektrik κ tinggi untuk modulator penyerapan elektro berbasis graphene ultrafast. Nat Common 12, 1070 (2021). doi.org/10.1038/s41467-021-20926-w

Kutipan: Lompatan kinerja untuk modulator graphene di datacom dan telekomunikasi generasi berikutnya (2021, 16 Februari) diambil pada 16 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-graphene-modulators-datacom-telecom.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SDY