При этом, чем быстрее передаются импульсы данных, тем больший объем данных можно передавать. В результате, продемонстрированное устройство может обеспечивать высокую скорость передачи данных. Разработчики отмечают, что оно способно обеспечить 10-кратный прирост скорости передачи информации по сравнению с существующими технологиями.
Исследователи экспериментальным путем смогли достичь частоты модуляции 1 ГГц, но, теоретически, в результате улучшений можно достигать и более существенной частоты – до 500 ГГц. В то же время данное устройство достаточно компактно и не требует использования большого количества энергии.
Несколько слов о физике устройства. Ученые выяснили, что энергия электронов, называемая уровнем Ферми, может быть легко изменена в зависимости от напряжения, подаваемого на материал, и уровень Ферми в графене определяет, поглощен свет или нет. Когда подается достаточное отрицательное напряжение, электроны испускаются графеном и более не могут поглощать фотоны — в итоге свет «включен», так как графен становится полностью прозрачным для проходящих сквозь него фотонов. Графен также прозрачен и при определенных положительных напряжениях, ведь электроны становятся упакованными так плотно, что попросту не способны поглотить фотоны. В промежуточном своем состоянии графен эффективно «выключает» свет — электроны препятствуют прохождению фотонов сквозь него.
Рис. 1. Поверх кремниевого проводника (голубого цвета) располагается слой графена, на который со стороны через золотой (Au) и платиновый (Pt) электроды подается ток, за счет чего изменяется число фотонов, абсорбируемых графеном.
Так, экспериментальным путем удалось создать успешно функционирующий графеновый оптический модулятор, занимающий площадь всего 25 квадратных микрон, что в 400 раз меньше толщины человеческого волоса. Опять же 25-микронные размеры дадут жизнь тончайшим кабелям с уменьшенным емкостным сопротивлением. Коммерческие образцы модуляторов будут несколько больше, но все же достаточно компактными, их площадь составит несколько квадратных миллиметров.
Рис. 2. Фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующая пленку графена (отмечена синим цветом), призванная периодически блокировать прохождение света через кремниевый волновод (отмечен красным цветом) (фотография: UC Беркли).
По словам разработчиков, модуляторы на основе графена позволят передавать 3D фильмы в Full HD разрешении, занимающие большой объем, на смартфоны за считанные секунды.
Кроме того, отмечается, что графен может легко комбинироваться с другими материалами, что позволит получать достаточно оригинальные комбинации свойств. В частности, заявляется возможность модуляции сигналов в новых диапазонах частот, например, света среднего инфракрасного диапазона. Кроме того, графен способен абсорбировать свет (что соответствует выключенному состоянию) в широком диапазоне (несколько тысяч нанометров) от ультрафиолетового до инфракрасного, в то время как современные оптические модуляторы способны оперировать волнами длиной лишь около 10 нанометров.
По заверениям разработчиков, данная технология может начать эксплуатироваться в коммерческих масштабах в течение ближайших нескольких лет.
Исследования проводились в Center for Scalable and Integrated Nano-Manufacturing (SINAM) и NSF Nanoscale Science and Engineering Center при финансовой поддержке в рамках программы Basic Energy Science Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) Министерства энергетики США. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Для справки: Графен представляет собой самый тонкий и прочный материал из ныне обнаруженных. Впервые он был получен в 2004 году, и в 2010 его изобретатели стали обладателями Нобелевской премии по физике. Его свойства определяют растяжимость наподобие резины и исключительную проводимость тепла и электричества. Учёные всего мира занимаются исследованием его свойств и рассматривают варианты его применения в различных сферах. Графен дешев в производстве и совместим с технологией получения кремния. Любопытно, графита в карандаше окажется достаточно для выпуска одного миллиарда графеновых оптических модуляторов.
