Графен обещает вывести оптическую связь за пределы возможностей привычной электроники, но до недавнего времени упирался в невозможность массового производства. Исследователи нашли способ встраивать графеновые фотонные устройства прямо в кремниевые пластины — то есть в тот самый техпроцесс, на котором держится вся микроэлектроника.
Мир стал теснее и связаннее, чем когда-либо, но обслуживают эту связанность всё те же классические устройства со своими ограничениями — по габаритам, по стоимости и, самое главное, по энергопотреблению. Последнее уже перестало быть чисто инженерной характеристикой: потребление напрямую конвертируется в выбросы парниковых газов.
Масштаб проблемы легко недооценить. Сегодня на информационно-коммуникационные технологии приходится почти 4 % всех парниковых выбросов — столько же, сколько даёт вся авиационная отрасль. По прогнозам, к 2040 году эта доля вырастет до 14 %. Поэтому снижение энергетических запросов телеком- и дата-ком-инфраструктуры — это не побочная оптимизация, а ключ к действительно устойчивым решениям.
Добавьте к этому ожидаемый рост числа подключённых устройств: к 2023 году по всему миру прогнозировалось 28 миллиардов устройств, подключённых через 5G. Нагрузка на сети растёт быстрее, чем классическая элементная база успевает становиться экономичнее.
Что даёт графен фотонным устройствам
Графеновая фотоника привлекательна сразу по нескольким причинам, и все они вытекают из свойств самого материала.
Сверхширокая полоса поглощения. Графеновые устройства работают со светом от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона. Это открывает дорогу к сверхширокополосной связи — одно устройство перекрывает спектр, для которого традиционно нужен зоопарк разных материалов.
Сверхвысокая подвижность носителей. И электроны, и дырки в графене обладают исключительно высокой подвижностью. Практический итог — скорость передачи данных, превосходящая самые производительные из существующих ethernet-сетей: преодолевается барьер в 100 ГБ в секунду.
Главная проблема была не в физике, а в производстве
Физические достоинства графена известны давно. Сдерживало другое — отсутствие технологии, пригодной для серийного выпуска. Исследователи предложили методику изготовления на уровне целой пластины (wafer-scale), которая позволяет интегрировать графеновые фотонные устройства в кремниевые пластины.
Принципиальным для новой методики оказался отбор массивов монокристаллического графена — именно он делает процесс воспроизводимым на площади всей пластины. А главное следствие такого подхода — возможность автоматизации: переход от штучных лабораторных образцов к крупносерийному производству.
Отдельно стоит отметить совместимость методики с уже существующими автоматизированными производственными линиями. Это снимает главный барьер для внедрения: заводам не нужно строить новый техпроцесс с нуля, что должно заметно ускорить промышленное освоение технологии.
Как это делалось: экосистема Graphene Flagship
Работа — характерный пример кооперации, выросшей внутри экосистемы Graphene Flagship. Через рабочий пакет Wafer-scale Integration и флагманские проекты вроде Metrograph эта инициатива сводит вместе академическую науку и ведущую промышленность. Задача такого партнёрства — доводить разработки до прототипов и продуктов с высоким уровнем технологической готовности, вплоть до момента, когда они выходят на рынок.
