Un team internazionale di ricercatori del progetto europeo Graphene Flagship ha recentemente dimostrato che il grafene può essere integrato nei sistemi fotonici che usano il silicio come mezzo ottico in modo da realizzare sistemi di telecomunicazione a basso consumo energetico.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nano Letters, è frutto della collaborazione dei ricercatori della John Hopkins University (Stati Uniti), University of Cambridge (Regno Unito) e The Hebrew University (Israele).
L’obiettivo del progetto Graphene Flagship è quello di condurre il grafene fuori dai laboratori universitari per poter essere utilizzato praticamente nell’industria e nella società. Il progetto Graphene Flagship cerca di focalizzarsi sui problemi reali che l’industria può incontrare nei settori critici come quello delle comunicazioni ottiche.
Le comunicazioni ottiche stanno assumendo un’importanza via via crescente perché potrebbero risolvere uno dei più grandi problemi dell’era dell’informazione, il consumo energetico.
Virtualmente quasi tutto ciò che utilizziamo nella vita quotidiana “consuma” dati e tutti questi dati viaggiano grazie all’energia.
Ovviamente all’aumentare del consumo dei dati aumenta anche il quantitativo di energia necessario. Nel prossimo futuro i maggiori consumatori di energia saranno i sistemi di comunicazione M2M (machine-to-machine) e l’IoT (Internet of Things, Internet degli oggetti).
Per poter garantire la funzionalità dell’IoT (e il relativo scambio di dati) tramite l’attuale fotonica del silicio servirà una quantità di energia molto elevata, circa 10 volte quella che è possibile fornire attualmente.
Lo sviluppo dell'IoT potrebbe essere sostenuto da nuove soluzioni tecnologiche efficienti dal punto di vista del consumo di energia
Per riuscire a sviluppare questa nuova fase di Internet sarà necessario ideare e realizzare nuove soluzioni tecnologiche efficienti dal punto di vista dei consumi energetici. Questo è il motivo per cui realizzare sistemi ottici di comunicazione basati sul grafene è così importante.
Durante gli ultimi anni, le comunicazioni ottiche si sono diffuse sempre più rispetto alle soluzioni basate su metallo.
Il punto debole degli attuali fotorivelatori basati sul silicio
Gli attuali fotorivelatori basati sul silicio utilizzati nelle comunicazioni ottiche hanno un punto debole quando si tratta della rilevazione dei dati nell'intervallo vicino all’infrarosso, l'intervallo utilizzato nelle le telecomunicazioni.
Il settore delle telecomunicazioni ha superato questo problema integrando assorbitori ottici al germanio nei dispositivi fotonici ai silicio. Utilizzando questo processo sono stati resi pienamente funzionanti i dispositivi su chip. Tuttavia si tratta di un processo complesso.
Come viene utilizzato il grafene nel nuovo studio
Nel nuovo studio, il grafene viene interfacciato con il silicio su un chip per ottenere un’elevata responsività per fotorivelatori a barriera di Schottky. Questi fotorivelatori basati sul grafene raggiungono una responsività di 0.37 A/W per 1,55 μm tramite moltiplicazione a valanga.
Questa alta responsività è paragonabile a quella dei rivelatori al silicio / germanio attualmente utilizzati nella fotonica del silicio.
Il prof. Andrea Ferrari del Cambridge Graphene Centre scrive «Questo è un risultato significativo che dimostra che il grafene può competere con l'attuale stato dell'arte della produzione di dispositivi che possono essere più economici e più semplici, oltre a poter lavorare su diverse lunghezze d'onda. In questo modo si apre la strada dell’integrazione del grafene nella fotonica del silicio».
Il dott. Ilya Goykhman dell'Università di Cambridge e autore principale dello studio sostiene che «Il grafene è in grado di giocare un ruolo abilitante nelle tecnologie di comunicazione ottica. Questo è il primo passo in tale direzione, nel corso dei prossimi due anni l'obiettivo del nostro lavoro è quello di arrivare all’integrazione WSI (Wafer Scale Integration)».
La scala di integrazione WSI permette di avere in un singolo chip un numero molto elevato di transistor (oltre 10 milioni) che equivale ad un intero computer.
Il progetto Graphene Flagship, un approccio collaborativo
Parlando dell’approccio collaborativo del progetto europeo Graphene Flagship nell’ambito della ricerca, il Prof Ferrari scrive «il grafene può battere l'attuale tecnologia fotonica basata sul silicio in termini di consumo energetico. Il nostro progetto sta investendo molte risorse nell'integrazione WSI. Siamo convinti che il grafene sia la spina dorsale della comunicazione dati e abbiamo intenzione di progettare un sistema per le telecomunicazioni in grado di trasferire dati a una velocità di 4x 28 GB/s entro il 2018. Lo studio pubblicato sulla rivista Nano Letters rappresenta il primo passo verso il raggiungimento di questo sistema, la cui importanza è chiaramente riconosciuta da aziende come Ericsson e Alcatel-Lucent che hanno aderito al progetto Flagship».
Scenari
«Abbiamo dimostrato il potenziale per il rivelatore, ma abbiamo anche bisogno di produrre un modulatore basato sul grafene per riuscire a realizzare un sistema ottico di telecomunicazioni pienamente funzionante con un consumo energetico contenuto. Il nostro gruppo di lavoro sta lavorando sodo per riuscire a raggiungere questo importante traguardo. Il progetto Graphene Flagship ha messo insieme le persone giuste nel posto giusto al momento giusto, siamo in grado di lavorare tutti insieme verso il raggiungimento di questo obiettivo. L'Europa sarà all'avanguardia di questa tecnologia. Per l'Europa questo filone di ricerca rappresenta al tempo stesso una grande sfida e una grande opportunità per via dell’elevato valore aggiunto che avranno questi dispositivi. Inoltre produrre in Europa questi dispositivi permetterà di mantenere il valore della tecnologia all'interno della Comunità europea» scrive il prof. Ferrari.
Riferimento:
Ilya Goykhman et al. On-Chip Integrated, Silicon–Graphene Plasmonic Schottky Photodetector with High Responsivity and Avalanche Photogain, Nano Letters (2016). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b05216
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