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Wien (tu) - Die Grenzen der Datenübertragungsraten sind noch lange nicht erreicht, wie Forscher_innen der
TU Wien in Zusammenarbeit mit der AMO GmbH in Deutschland zeigen konnten. Es gelang den weltweit schnellsten Graphen-basierten
Photodetektor mit einer Bandbreite von mehr als 65 GHz zu entwickeln.
Datenkommunikation der nächsten Generation
Da die Menge an Daten stetig steigt, sind neue Konzepte für die Datenübertragung gefragt. Derzeit beruhen
moderne Kommunikationssysteme auf der Übertragung von Daten mittels Glasfasern. Zur Datenverarbeitung hingegen
werden Computerchips verwendet, die elektrisch funktionieren. Die Schnittstelle zwischen diesen beiden Welten bilden
Photodetektoren, die das optische Signal in ein elektrisches umwandeln. Die Anforderungen an solche Detektoren
sind hoch: Sie müssen eine hohe Geschwindigkeit aufweisen, dabei aber auch klein, kompakt und möglichst
einfach integrierbar sein. Gegenwärtig basieren Übertragungssysteme auf Materialien wie Germanium oder
Indiumphosphid, die jedoch nur schwer in die klassische Siliziumtechnologie integriert werden können. Zusätzlich
kommen sie durch ihre physikalischen Eigenschaften nun auch schon an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit.
Einzigartiges Material
Graphen, Kohlenstoff in zweidimensionaler Form, besitzt außergewöhnliche Eigenschaften, die das Material
zu einem idealen Kandidaten zur Detektion von Licht machen. Graphen weist ein extrem breitbandiges Absorptionsspektrum
auf, das heißt, es kann alle Wellenlängen detektieren. Im Vergleich dazu kann beispielsweise Germanium
nur bestimmte Wellenlängen absorbieren und ist dadurch in der Anwendung eingeschränkt. Graphen zeichnet
sich besonders dadurch aus, dass die Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal bemerkenswert schnell vonstatten
geht. Zusätzlich erlaubt die zweidimensionale Struktur eine problemlose Integration in die bestehende Siliziumtechnologie.
Und es geht noch schneller
Aus der Forschung ist bereits bekannt, dass Graphen das Material der Wahl für integrierte Detektoren ist.
Forscher_innen der TU Wien haben nun in Zusammenarbeit mit der AMO GmbH ein neues Detektorkonzept entwickelt, das
alle Rekorde bricht. Der Detektor basiert auf einer speziellen Wellenleiterstruktur: Das Licht wird in zwei Silizium
Streifen geführt, die durch eine Aussparung getrennt sind. Über dieser Wellenleiterstruktur ist eine
Graphenschicht platziert, die elektrisch kontaktiert ist. Der Wellenleiter wird sowohl dazu benutzt das Licht einzukoppeln
als auch über Elektroden die elektrischen Eigenschaften der Graphenschicht zu steuern. Das absorbierte Licht
erzeugt eine Spannung in der Graphenschicht auf Grund des photothermolektrischen Effekts, die an den Kontakten
gemessen werden kann. Dieses Konzept erlaubt es, die Sensitivität elektrisch zu steuern, ohne die Geschwindigkeit
des Detektors zu beeinflussen. Der Detektor besitzt eine Bandbreite von 65 GHz und ermöglicht eine Datenrate
von mindestens 100 Gbit/s. „Die gemessene Bandbreite des Detektors ist durch den Messaufbau limitiert. Dies zeigt
uns, dass es noch Luft nach oben gibt“, erklärt Simone Schuler vom Institut für Photonik der TU Wien.
Webtipp: Graphene Flagship: http://graphene-flagship.eu/graphene-photodetectors-set-speed-record
Originalpublikation: Controlled Generation
of p–n Junction in a Waveguide Integrated Graphene Photodetector. NanoLetters 2016, 16, 7107-7112 | DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03374
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03374
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