Графеново-кремниевые оптические схемы работоспособны при сверхнизком энергопотреблении

Исследователи из Колумбийского университета (США) продемонстрировали выдающееся нелинейное оптическое поведение графена, потенциально способное найти широкое применение в оптической связи и оптических интегральных микросхемах с предельно низким энергопотреблением.

Рамановский сдвиг спектральной линии для одноатомного слоя графена оказался очень значительным. (Здесь и ниже иллюстрации T. Gu.)

Оказалось, что если разместить одноатомный слой углерода на кремниевом кристалле, то первоначально оптически пассивное устройство (транзистор) превращается в активное, способное к генерации микроволн и к параметрической конверсии длины волны на тех частотах, которые активно используются в телекоммуникациях.

Коэффициент пропускания и конверсия длин световых волн, выполняемые чисто оптическим путём, требуют небывало низкого энергопотребления. С помощью оптического воздействия на графен удавалось регулировать электронный и термический ответ кремниевого чипа. При этом производимая в радиодиапазоне несущая волна легко может быть проконтролирована с помощью изменения интенсивности лазерного пучка и его цвета. А эффективность графеново-кремниевого гибридного чипа в генерировании радиоволн (в сравнении с обычными кремниевыми) оказалась в 50 раз выше по отношению к приложенной энергии.

Кроме того, в такой микросхеме впервые было зарегистрировано четырёхволновое смешивание, причём оно, как и остальные обнаруженные эффекты, возникало буквально из нескольких фемтоджоулей энергии.

Энергия переключения состояния для графен-кремниевых устройств очень низка, а время релаксации весьма небольшое.

Пока рано говорить о внедрении оптических микросхем на такой основе, поскольку задача широкого промышленного получения графена так и не решена. И всё-таки перспективы у подобных интегральных микросхем могут быть значительными: при мизерных затратах энергии теплоотвод от нового чипа перестанет быть главным препятствием на пути дальнейшей миниатюризации.

Соответствующая работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Подготовлено по материалам Колумбийского университета.