Illustrasjon som viser fotodetektoren til den amerikanske forskningsgruppen. Lys kommer inn gjennom en bølgeleder, treffer et grafénlag som omdanner lyset til elektroner. Disse kan så behandles av brikken som fotodetektoren er integrert med. (Bilde: Dirk Englunds forskningsgruppe)

Grafén kan gi mye raskere fibernett

Forskere har utviklet ekstremt kjappe og kompakte fotodetektorer.

Det er fiberoptiske kabler som forbindelser det aller meste av Internett, der hvor datastrømmene fra mange brukere har blitt ledet sammen. Til de enkelte brukerne, både til mindre bedrifter og privatkunder, er det fortsatt stort sett kobberkabler som gjelder.

Fiberoptiske kabler har ekstremt høy kapasitet. Det som i dag begrenser kapasiteten til nettverkene, er utstyret i endene av kabelen, der hvor elektriske signaler omdannes til lyssignaler, eller omvendt.

Denne uken kom det flere rapporter om forskning som kan bidra til raskere, fiberoptiske dataforbindelser.

Én av disse er det forskere i Østerrike som står bak. Ved Technische Universität Wien har man ved hjelp av karbonmaterialet grafén laget en svært rask fotodetektor, som omdanner lyssignaler til elektroner. Denne fotodetektoren er dessuten så liten at man ifølge forskerne får plass til 20 000 slike detektorer på en silisiumbrikke som måler 1 kvadratcentimeter. Den støtter ifølge forskerne alle frekvenser som er av betydning innen telekommunikasjon.

Tidligere forskning

Allerede for to år siden kunne forskningsgruppen, som ledes av førsteamanuensis Thomas Müller, demonstrere at grafén er velegnet for å omdanne lys til elektrisk strøm. Det gjør materialet også egnet for solcellepaneler.

– Det er mange materialer som kan omdanne lys til elektrisitet, men grafén tillater spesielt rask konvertering, sier Müller i en pressemelding. Han mener derfor at grafén har potensial til å bli det foretrukne materialet i løsninger hvor store mengder data skal overføres over korte tidsperioder.

Men en slik grunnleggende demonstrasjon var bare begynnelsen. Nå forskerne, i samarbeid med forskere ved Johannes Kepler Universität Linz, demonstrert at fotodetektoren faktisk kan integreres i en brikke. Dette har blitt gjort med fotodetektorer laget av andre materialer, blant annet germanium, tidligere. Men disse materialene har ifølge de østerrikske forskerne bare kunnet prosessere et spesifikt område med bølgelengder.

– En smal bølgeleder med en diameter på omtrent 200 ganger 500 nanometer leder det optiske signalet til grafénlaget. Det konverteres lyset om til et elektrisk signal, som deretter kan prosesseres i brikken, forklarer Müller.

En brikke med 20 000 detektorer vil i teorien kunne bli forsynt med data via 20 000 ulike informasjonskanaler, opplyser forskerne.

Fotografi av den østerrikske fotodetektoren. Til venstre sees bølgelederen, som leder lyset inn mot et grafénlag som er to mikrometer bredt. Der omdannes lyset til strøm.
Fotografi av den østerrikske fotodetektoren. Til venstre sees bølgelederen, som leder lyset inn mot et grafénlag som er to mikrometer bredt. Der omdannes lyset til strøm. Bilde: TU Wien

Ifølge Müller er ikke slike teknologier bare aktuelt når data skal overføres over lange strekninger, men også i tilfeller hvor strekningene er ganske korte – for eksempel mellom prosessorkjernene i store klynger. Lyssignaler beveger seg raskere enn tilsvarende elektriske signaler, noe som vil gi økt ytelse. Samtidig vil systemet kreve betydelig mindre elektrisk energi. Dermed reduseres også kjølebehovet. I tillegg vil enkelheten ved løsningen kunne bety betydelig lavere priser.

Parallelt

Pussig nok så har også forskere fra MIT, Columbia University og IBMs T.J. Watson Research Center utviklet en nesten identisk fotodetektor. Rapportene fra begge forskningsgruppene er publisert i den samme utgaven av Nature Photonics.

– Vi var ikke klar over at vi drev med det samme, sier Müller i en pressemelding som er utgitt av MIT.

– Men jeg er veldig glad for at to forskningsartikler gis ut i den samme journalen om det samme temaet, noe som jeg tror viser at det dreier seg om noe viktig, sier Müller.

Utfordringen
I pressemeldingen fra MIT forteller førsteamanuensis Dirk Englund at problemet med grafén som fotodetektor har vært lav responsivitet. Et lag med grafén omdanner bare omkring to prosent av lyset som passerer det om til elektrisk strøm. Selv om dette ifølge Englund er ganske mye for et materiale som bare er ett atom tykt, er det for lite til å være nyttig.

For å øke responsiviteten til en fotodetektor kan man forspenne den, det vil si å sende en spenning på tvers av den. Dette får ifølge Englund elektronene til å strømme før de taper energi. Ulempen med denne metoden er at det dannes en bakgrunnsstrøm som fungerer som støy for avlesningene til detektoren og dermed gjør dem mindre pålitelige.

Bølgelederen, derimot, skaper en svak forspenning uten bruken av spenning. Dette fører til at detektoren genererer 100 mA istedenfor 16 mA for hver watt med innkommende lys. Englund mener at forbedringer som tynnere elektroder og smalere bølgeleder vil kunne gjøre responsiviteten enda høyere.

Müller mener at den viktigste forskjellen mellom arbeidet til de to gruppene, er bruk av litt forskjellige geometrier.

– Ærlig talt mener jeg at Dirks geometri er mer praktisk. Vi tenkte også på det samme, men vi hadde ikke tekniske muligheter til å gjøre dette. Det er én prosess som de gjør, som vi ikke kan gjøre, sier Müller.

    Les også:

Til toppen