Графен, вероятно, станет чудо-материалом, который можно будет использовать в широком спектре электронных приложений, от производства батарей до изготовления чипов. Одна из ожидаемых ниш - оптоэлектроника. Использование графена в фотодетекторах может значительно увеличить скорость передачи данных. Это, вероятно, будет важно в будущем не только для развертывания будущих сетей 3G, но и для передачи оптического трафика на новых уровнях пропускной способности.
Современные фотодетекторы на основе полупроводников отлично справляются с преобразованием падающего света в электрические сигналы. Однако полупроводниковые материалы имеют ограничения, обусловленные их свойствами (определенная ширина полосовой щели). В частности, у полупроводниковых фотоприемников существует обратно пропорциональная зависимость между шириной полосовой щели, чувствительностью и потребляемой мощностью. Проще говоря, для работы фотодетектора на максимальной скорости требуется достаточно сильный входной сигнал, что в свою очередь увеличивает помехи и энергопотребление.
Графен, являющийся полупроводником, не имеет этих ограничений полупроводников и обладает самым широким спектром поглощения, включая четырехполосный, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. Поскольку у графена нет запрещенных зон, он обладает уникальной способностью улавливать электромагнитные волны различной длины, что является путем к сверхширокополосным фотодетекторам.
Кроме того, ожидается, что высокая подвижность носителей графена позволит чрезвычайно быстро преобразовывать фотоны в ток, а его высокая теплопроводность минимизирует потребление фотоприемника. Кроме того, графен совместим с традиционными процессами производства КМОП, что означает, что в будущем он может быть включен в кремниевые фотонные чипы.
Самый быстрый на сегодняшний день фотодетектор был создан разработчиками из Аахенского центра передовой микроэлектроники и AMO GmBH в Германии. Эти графеновые фотодетекторы имеют полосу пропускания более 128 ГГц и теоретически могут достигать скорости передачи оптических данных более 180 Гбит/с. Даже развертывание сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу десятилетия, может потребовать увеличения пропускной способности каналов связи.
Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO в партнерстве с учеными основала в Германии компанию Black Semiconductor, которая обладает технологией массового производства гибридных кремниево-графеновых оптических платформ для всех видов электронных устройств. Считается, что АМО обладает достаточными знаниями в этой области, которые были переданы Black Semiconductor. Например, в 2018 году AMO запустила первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи со скоростью передачи данных
Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет.
