הגבול הבא בתקשורת אופטית

העברת נתונים מודרנית מסתמכת על מערכות תקשורת אופטיות מהירות גבוהה שמחזקות את האינטרנט, מחשוב ענן, וטלקומוניקציה גלובלית.כפי שהביקוש לפס רוחב פס ממשיך להצטבר על ידי הזרמת, בינה מלאכותית, ואינטרנט של הדברים, הרכיבים הבסיסיים של המערכות הללו חייבים להתפתח. Photodetectors, אשר להמיר אותות אופטיים לסיגנלים חשמליים, לשבת בלב כל מקלט סיבים אופטיים.

Graphene-enhanced photodetecators הוכיחו את היכולת לזהות אותות אופטיים בתדרים terahertz עם פיקו השניות או אפילו זמני תגובה תת-קבוצה.המכשירים האלה הם לא רק מהירים יותר, אלא יכולים לפעול בטווח רחב בהרבה רחב יותר של ספקטרלי מאשר גלאיים קונבנציונליים - מ- אולטרה סגול לאימוץ רחוק.שילוב של תכונות אלה הופך אותם אידיאליים יותר ויותר תובעניים של תקשורת אופטית גבוהה מספק את האתגרים של גרף אמיתי, באופן מעמיק, באופן מיידי, כך, כך, באופן מעמיק, כך, כך, כך, כך, כך, כמו גם את הביצועים המסחריים של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של רשתות מתקדמות, באופן מעמיק יותר ויותר, באופן מעמיק יותר, באופן מעמיק יותר ויותר, באופן עצמאי, באופן מעמיק, באופן עצמאי, כך, באופן שבו רשתות מתקדמות, באופן עצמאי, כך, כך, כך, כך, כך, כך, באופן עצמאי, באופן עצמאי, באופן שבו רשתות תקשורת בין תכונות מתקדמות, באופן עצמאי, באופן עצמאי, באופן עצמאי, כך, באופן עצמאי, כדי לשמור על ידי גרף, את הביצועים של תכונות אלה, כדי למנוע את הביצועים של ביצועים מסחריים, באופן עצמאי, באופן עצמאי, באופן עצמאי, כך, כך, כך,

הבנה של Graphene-Enhanced Photodetectors

בליבתו, photodetector סופג פוטונים וממיר אותם לתוך זרם חשמלי או מתח.יעילות ומהירות ההמרה הזו תלויה ביכולת של חומר המוליכים למחצה לייצר ולהובלת נושאת מטען.גלים לאומנים משתמשים במוליכים למחצה עם שבב ספציפי המגביל את הרגישות הקיבוצית שלהם - הם רק מגיבים לפוטונים עם אנרגיה מעל זה.

Graphene, שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות hexagonal, אין שום להקות.זה מבנה אפס-bandgap מאפשר לו לספוג פוטונים בטווח רחב במיוחד של אנרגיות, מ אולטרה סגול עמוק כדי terahertz תדרים.בנוסף, גרפן מציג ניידות גבוהה באופן יוצא דופן - מועבר עד 200,000 ס"מ /V עבור תרכובת חדר אחד, אשר מאפשר תכונות עמוקות לתוך גרף עמוק בתוך תאים פוטוגרף.

התכונות הייחודיות של Graphene

כדי להעריך מדוע גרפן הוא חומר מהפכני כל כך עבור photodetection, הוא עוזר לבחון את התכונות הפיזיות והאלקטרוניות שלו בפירוט רב יותר:

  • (FLT:0) ניידות נושא גבוהה: 1FLT:1 של גרפן לעבור עם מעט מאוד פיזור, המאפשר להם להגיב כמעט מיד לשינויים בעוצמה האור.זה חיוני לזיהוי פעימות אופטיות מהירות בשימוש בתקשורת המודרנית.
  • (FLT:0) קליטת אופטית בלתי-רגילה: FLT:1 A monolayer of גרפן סופג כ 2.3% מהאור הלבן של האירוע, בעוד שזה עשוי להיראות נמוך, הקליטה היא כמעט קבועה בטווח רחב של אורכי גל, מ גלוי עד כה, קידוד שכבות מרובות יכול להגדיל את ספיגה תוך שמירה על מהירות גבוהה.
  • (FLT:0)Zero Bandgap:FLT:1hil בניגוד למוליכים למחצה קונבנציונליים, גרפן אין חבושת שמגבילה ספיגת פוטון.זה מאפשר זיהוי של אולטרה סגולט לטרארנץ, המכסה את כל להקות התקשורת האופטיות הגדולות.
  • כוח וגמישות:0 (FLT:1 Graphene הוא חזק מאוד (החומר החזק ביותר שנמדד אי פעם) וגמיש.זה מאפשר לפוטטקטורים להשתלב בתוך תת-שכבות גמישות, מכשירים לבישים או גורמים חדשים.
  • (ב) יציבות תרמית ויציבות תרמית: גרף 1:1 Graphene הוא אינרציה כימית ויכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות, מה שהופך אותו מתאים לשימוש בסביבות קשות.

כיצד פועל Graphene Photodetectors

העיקרון התפעולי של photodetector גרפן דומה לזה של photodiodes קונבנציונלי, אבל עם יתרונות נפרדים שמקורם במבנה הלהקה של גרפן.במכשיר טיפוסי, שכבת גרפן יוצרת ערוץ בין שני אלקטרודות (מקור וניקוז) כאשר פוטונים עם אנרגיה מספקת נספגים בגרף, הם יוצרים צומת אלקטרונים-חורנית.

מכיוון שניידת המוביל של גרפן גבוהה כל כך, המובילות המיוצרים יכולים להגיע לאלקטרודות במהירות רבה.זמן קבוע לאיסוף המטען יכול להיות נמוך כמו כמה פיקו השניות או אפילו שניות במכשירים ממוטבים.זה מתורגם ישירות ליכולת להגיב במהירות אותות אופטיים שונים, מה שהופך photodetecators גרפין מתאים למעל 100 Gb / ערוץ, במיוחד מאפשר קידודים נמוכים של גרפים, במיוחד עם גרפים אופטיים מקומיים, במיוחד עם גרף נמוך יותר, במיוחד עם גרף נמוך של חומרים אופטיים, במיוחד עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך, במיוחד עם גרף נמוך יותר, במיוחד עם גרף אופטיים, במיוחד עם גרף נמוך יותר, עם גרף אופטיים עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, במיוחד עם גרף נמוך יותר, עם גרף אופטיקה, עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, במיוחד עם גרף אופטיקה, עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, עם גרף נמוך יותר, במיוחד עם גרף חשמלי נמוך יותר, עם גרף גבוה יותר, עם גרף גבוה יותר, כולל גרף נמוך יותר, במיוחד גרף גבוה יותר, 000 מתאים

יתרונות מרכזיים בהשוואה לציורים מסורתיים

גרפיפן-enhanced photodetectors מציעים כמה יתרונות משכנעים על פני 3-V קונבנציונלי ו photodetecators מבוסס סיליקון. היתרונות האלה אינם רק incremental; הם מייצגים שינוי פרדיגמה במה שניתן להשיג במונחים של מהירות, כיסוי ספקטרלי וארכיטקטורה המכשיר.

« תגובה מהירה

היתרון הדרמטי ביותר הוא מהירות.בעוד photodetectors מסורתיים המבוססים על InGaAs או גרמניהium בדרך כלל יש זמני תגובה בעשרות של pico secondss (המוחזרים לפס רוחב פס סביב 20-50 GHz), photodetectors גרפין הראו פעמים תגובה נמוך כמו 200 מרכזי סיליקון אלחוטיים.זה מתאים רוחב פסים intrinsic מעל 1 THz עבודה שפורסם לאחרונה ב-Fha: 0G1 גרף סיליקון גרף 1 מ 1 מ 1 סיליקון גרף 3.

רגישות רחבה

פוטודג'טים מהירים מאוד הם מכשירים צרים, אופטימיזציה עבור חלונות אורכי גל ספציפיים כגון C-band (1530-1565 nm) בשימוש בתקשורת סיבים ארוכי טווח. לעומת זאת, photodetectors גרפין יכול לפעול מ אולטרה סגול (<300 nm) כדי להפחית את עלויות הגלם המותקנות באופן קבוע (מעבר 10 מיקרומטר) ללא שינוי החומר הרחב הזה הוא בעל ערך עבור מספר צבעים של גלאונדים (Dx) באופן קבוע (כלומר, כלומר, אשר יכול להחליף מספר צבעים שונים של תאים).

גמישות מכנית ויציבות

גמישות מכנית של Graphene מאפשרת photodetectors שניתן לשלב בתוך תת-שכבות גמישות ותואמים.זהו משחק שינוי עבור מכשירים לבישים, אבחון רפואי, וחיישנים IoT הדורשים אופטימיזציה קלים וניתן לכופף אותם באופן גמיש וניתן לחדד, הפגנות האחרונות מ-FLT:0Graphene FlagshipFLT:1), קונפיריום הראו ביצועים גמישים של גרפיטילקטנטקנים, אשר עשויים גם לעקוב אחר סוללות חכמות.

אנרגיה נמוכה ושפל נמוך

צריכת אנרגיה היא דאגה מרכזית במרכזי נתונים, שבו photodetectors לפעול ברציפות. Graphene photodetectors יכול להשיג תגובה גבוהה אפילו תחת אפס הטיה (מצב פוטו-וולטאי), חיסול הצורך באספקת חשמל.זה מקטין את כוח המערכת הכולל.בנוסף, הזרם כהה בגלאים מעוצבים היטב יכול להיות נמוך מאוד, רק על ידי דור תרמי ודלפה.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

בחמש השנים האחרונות ראו התקדמות יוצאת דופן במעבר פוטודג'טים גרפן מטיפוסי אבטיפוס בקנה מידה מעבדה למכשירים כמעט קיימא.כמה קבוצות מחקר וחברות הפגינו photodetectors משולבים בפלטפורמות פוטוניות סיליקון, המשלבות את התכונות הייחודיות של גרפן עם תהליכי ייצור CMOS בוגרים.

לדוגמה, בשנת 2021, צוות משותף מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי ואוניברסיטת קיימברידג' דיווחו על גרף פוטודקטור משולב עם מדמטר סיליקון מאך-Zehnder שהשיג שיעור שגיאה מעט מתחת לסף תיקון השגיאה קדימה ב 50 Gb/s.המכשיר הפעיל ב- 0 הטיהטיה וכיסה את כל C-GHz התפתחות בולטת נוספת באה מחוקרים במכון הפדרלי של לאוינס (EP) אשר יצרו גרף של 0 גרם ל-DVDVDNS (D) ו-Ftepan) עם תוצאות משולבות של תמונה אחת מ- 0 גרף של 0 גרף של 0 גרף 1DNSDNSDNS.

פוטודג'טים גרפיניים גמישים עברו גם ליישומים.חוקרים ב-AMO GmbH בגרמניה פיתחו תהליך להעביר גרפן על תת-שכבות פולימידיות גמישות באיכות גבוהה.ה photodetectors וכתוצאה מכך הראו ביצועים יציבים באורך גל של 1550 ננומטר וניתן להיות כפופים לרדיוס של 5 מ"מ ללא ההידרדרות בביצועים.

אתגרים לOvercome

למרות ההתקדמות המרשימה הזו, יש לנקות כמה מהמכשולים לפני שמפודג'ים של גרפן-נגיד יכולים להיות מוצבים בקנה מידה במערכות תקשורת אופטיות מסחריות.

ייצור סקאלה

האיכות והעקביות של סרטי גרפן גדולים נותרו אתגר.כימיקלים נפילה (CVD) על סיאול נחושת היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור גרפן מונו-שכבת, אבל תהליך ההעברה למצע יעד יכול להציג קמטים, סדקים, ו שאריות פולימרטיות כי ביצועים דה-דרגתיים.המשך פיתוח של העברה רול-פול-לולטה וצמיחה ישירה על פני אזורים פחת הם בעלייה יעילה מדי, ללא עלויות תפעוליות.

CMOS

(ההגדלה של photodetectors גרפן עם photonics סטנדרטי סיליקון ו CMOS אלקטרוניקה מציבה אתגרים חומר ותהליך. טמפרטורות עיבוד גבוהות בשימוש בגלימת CMOS יכול להזיק גרפן או לשנות את התכונות שלה.conversely, כמה שיטות גרף גרפן עשוי להיות לא תואם את תהליכי מצאי הקיים.

ביצועים עקביים

וריאציות של מכשירים חד-פעמיים הן מכשול נוסף.הבדלים קטנים באיכות גרפן, מינון, והתנגדות מגע יכולים לגרום לריאציות גדולות בתגובתיות, זרם כהה ורוחב פס.פיתוח שכבות מעבר חזקות המגנות על גרפן מפני לחות סביבתית וחמצן הוא קריטי.בנוסף, ייצור של מגעים מתכת-עצמים עם יעילות גבוהה נשאר בלתי-פרי.

תחזית עתיד

המסלול עבור photodetectors גרףenhanced photodetectors הוא מאוד מעודד. כמו טכניקות ייצור ושילוב להיות יותר מעודן, גלאיים אלה צפויים להיכנס ייצור טייס בתוך חמש השנים הבאות.הם מתאימים במיוחד עבור יישומים שבהם גלאיים קונבנציונליים מגיעים לגבולות שלהם: קשרים מהירים במרכזי נתונים, תקשורת thertz עבור רשתות אלחוטיות 6G, ו-of-of-of-Fla-of-of-Fre-Fre-Fre-Fre-Fre-Fre-of-to-Fre-of-of-Freta-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

יתר על כן, מחקר של heterostructures המשלב גרפן עם חומרים דו-ממדיים אחרים כגון מעבר מתכת dichalcogenides (TMDs) או זרחן שחור עשוי להגביר את הביצועים עוד יותר.לדוגמה, מכשיר מנהרה גרף-בורון ניטריד-גרף יכול להשיג זרם כהה מאוד תוך שמירה על מהירות גבוהה, לדחוף את המעטפה עבור רגישות ורוחב הפס.

מסקנה

Graphene-enhanced photodetectors מייצג טכנולוגיה טרנספורמטיבית עבור תקשורת אופטית מהירה במהירות גבוהה. על ידי שילוב של זמני תגובה מהירים, רגישות רחבה ספקטרום, גמישות מכנית וצריכת חשמל נמוכה, הם מציעים תכונות ביצועים כי על הגלאים קונבנציונליים במספר ממדים, בעוד אתגרים נשארים במודוליביות ייצור, CMOS, ותפקוד עקבי, קצב קבוע של מחקר והשקעות מציעות אלה יהיה להתגבר על תפקוד מרכזי של מערכות מתכתי תיבות של תמונות.