Optischer Modulator aus Graphen für schnellere Netze

Das oft auch als zweidimensional beschriebene Graphen - das nur aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen besteht - brachte seinen Entdeckern den letzten Nobelpreis für Physik ein. Nicht erst seitdem beschäftigen sich auch zahlreiche andere Wissenschaftler mit dem Material, das als einer der möglichen Nachfolger des Siliziums für die Mikroelektronik gehandelt wird.

Forscher der Universität im kalifornischen Berkeley haben nun eine neue Eigenschaft des Graphens zur Anwendung gebracht. Bei bestimmten Spannungen, die sowohl positiv als auch negativ gepolt sein können, wird das Material für Licht transparent. Dabei werden aus der Gitterstruktur des Graphens durch den Ladungsfluss Elektronen abgezogen, die dann nicht mehr für die Absorption von Photonen zur Verfügung stehen.

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In der Mitte in Blau der Graphen-Kanal, der als Modulator dient. (Bild: UC Berkeley)

Den Wissenschaftlern gelang es, anhand des Ferminiveaus des Graphens dessen Eigenschaften zu beeinflussen: Die Elektronendichte im Material ließ sich je nach Spannung kontrollieren. Zwischen der Aufnahmebereitschaft für Licht und der Transparenz gibt es dabei einen recht engen Bereich, was bedeutet: Zwischen "Licht an" und "Licht aus" kann schnell umgeschaltet werden.

Das ist die Voraussetzung für einen Modulator, der die Lichtpulse für eine optische Signalübertragung erzeugt. Solche Bauelemente gibt es, beispielsweise von Intel für Thunderbolt, schon lange in der kommerziellen Anwendung. Der Graphen-Modulator ist aber um einige hundert Mal kleiner, wodurch sich sehr viele Modulatoren auf kleiner Fläche bündeln lassen.

1 GHz im Labor

Schon mit einem der Bauelemente haben die Wissenschaftler aber Signalraten von rund einem Gigahertz erreicht, nach Darstellung der UC Berkeley sollen bis zu 500 Gigahertz mit einem Modulator möglich sein. Das ergeben die Hochrechnungen der Parameter, welche die Materialien in den Versuchen erreichten.

Seine Ergebnisse hat das Team um Professor Xiang Zhang auch in der Onlineausgabe des Magazins Nature veröffentlicht.