Ricercatori dell'Università della California, capitanati dal professore Xiang Zhang, hanno realizzato un piccolo modulatore ottico basato sul grafene. I modulatori basati sul grafene potrebbero consentire di eseguire lo streaming di film 3D e in alta definizione su uno smartphone in pochi secondi.
"Questo è il modulatore ottico più piccolo al mondo. Il modulatore, nella comunicazione dati, è quello che controlla la velocità ", ha dichiarato Zhang. "Il grafene ci permette di rendere i modulatori molto compatti e fino a 10 volte più veloci rispetto a quanto permesso dalle soluzioni attuali. Questa nuova tecnologia migliorerà significativamente la capacità di comunicazione ottica ultraveloce".
Per raggiungere questo traguardo i ricercatori hanno modificato elettronicamente il grafene in modo da consentirgli di assorbire la luce a lunghezze d'onda usate nella comunicazione dei dati.
"L'impatto di questa tecnologia avrà una portata molto vasta. Oltre alle operazioni ad alta velocità , i modulatori basati sul grafene potrebbero portare ad applicazioni non convenzionali. Il grafene può essere usato anche per modulare nuove gamme di frequenza, come la luce del medio infrarosso, che sono ampiamente usate nel rilevamento molecolare".
A portare i ricercatori verso la creazione di un modulatore è stato il comportamento di fotoni ed elettroni all'interno del grafene. L'energia degli elettroni - il loro livello Fermi - può essere alterata facilmente a seconda della tensione applicata al materiale. Il livello Fermi del grafene determina, a sua volta, se la luce è stata assorbita oppure no.
Quando viene applicata una tensione sufficientemente negativa, gli elettroni sono strappati al grafene e non sono più disponibili ad assorbire fotoni. La luce passa allo stato "on" perché il grafene diventa completamente trasparente a causa dei fotoni che vi passano attraverso. Il grafene è trasparente con alcune tensioni positive perché, in tale situazione, gli elettroni si raggruppano così densamente da non poter assorbire i fotoni.
Lo sweet spot, ovvero il punto migliore, è stato trovato nel mezzo, dove è applicata una tensione sufficiente che permette agli elettroni d'impedire il passaggio dei fotoni, commutando di fatto la luce sullo stato su "off".
"Se il grafene fosse un corridoio, e gli elettroni delle persone, si potrebbe dire che, quando il corridoio è vuoto, non c'è nessuno in giro per fermare i fotoni", ha dichiarato Xiaobo Yin, ricercatore che ha partecipato alla ricerca. "Invece, quando è troppo affollato, la gente non può muoversi ed è inefficace nel bloccare i fotoni. È tra questi due scenari che gli elettroni possono interagire e assorbire i fotoni, mentre il grafene diventa opaco".
Nel loro esperimento i ricercatori hanno posto il grafene a strati sopra una guida d'onda al silicio per fabbricare modulatori ottici. I ricercatori sono stati in grado di raggiungere una velocità di modulazione di 1 gigahertz, ma hanno notato che la velocità teoricamente raggiungibile è fino a 500 gigahertz per un singolo modulatore unico.
Mentre i componenti basati su una soluzione ottica hanno molti vantaggi rispetto a quelli che usano energia elettrica, inclusa la possibilità di trasportare pacchetti di dati più densi in modo più rapido, i tentativi di creare interconnessioni ottiche che si adattano perfettamente a un chip di computer sono stati ostacolati dalla quantità di spazio relativamente ampia richiesto in fotonica.
Le onde luminose sono meno agili negli spazi stretti rispetto alle loro controparti elettriche, e i ricercatori hanno notato che le applicazioni basate su fotoni sono state principalmente confinate a dispositivi su ampia scala, come le linee in fibra ottica.
I modulatori basati sul grafene hanno una dimensione di 25 micron quadrati, e sono circa 400 volte più piccoli di un capello umano. Tuttavia anche con queste piccole dimensioni, il grafene è in grado di assorbire un ampio spettro di luce, passando dagli oltre migliaia di nanometri dei raggi ultravioletti a lunghezze d'onda infrarosse. Questo, secondo i ricercatori, permette al grafene di trasportare più dati delle migliori soluzioni attuali, che operano con una banda passante fino a 10 nanometri.
"I modulatori basati sul grafene non offrono soltanto un aumento nella velocità di modulazione, ma possono consentire d'inviare una maggiore quantità di dati per ogni impulso", ha detto Zhang. "Invece di banda larga, avremo una banda estrema. I modulatori basati sul grafene offrono enormi miglioramenti, non solo nell'elettronica di consumo, ma in ogni campo limitato dalla velocità di trasmissione dei dati, tra cui la bioinformatica e le previsioni meteorologiche. Speriamo di vedere le applicazioni industriali di questo nuovo dispositivo nel corso dei prossimi anni".