グラフェン変調器はネットワーク速度の限界を突破できるかもしれない

シリコン光ファイバー（青）の上に置かれたグラフェン層（黒色の網目模様）は、電気信号によって充電され、光の流れをパルスに変換します。[写真：カリフォルニア大学バークレー校]

光ファイバーネットワークは、記録的なインターネット速度の最前線にあります。カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、この速度曲線を10倍に飛躍的に向上させる可能性のあるグラフェン変調器を開発しました。

研究チームは、原子厚さの炭素層を電気的に調整し、データ通信に使用される波長の光を吸収するようにした。その後、グラフェン媒体を変調器として加工し、極小の光ネットワークケーブル内に設置して、データ伝送用の光のオン/オフを切り替えた。

「グラフェンを用いることで、非常にコンパクトな変調器を作製することが可能になり、現在の技術の最大10倍の速度で動作する可能性があります」と、研究グループを率いたカリフォルニア大学バークレー校の工学教授、シャン・チャン氏は説明した。「この新技術は、超高速光通信とコンピューティングの能力を飛躍的に向上させるでしょう。」

データ転送速度は、変調器が光をどれだけ速くパルス化できるかに依存します。光ケーブル内部では、変調器は電子が充電されるにつれて透明と不透明を切り替えます。研究者らは、グラフェン変調器が1ギガヘルツの変調速度を達成し、理論的には500ギガヘルツ（1秒あたり5000億サイクル）まで到達できることを発見しました。

シリコン導波路（赤）を通過する光を遮断するように帯電したグラフェンシート（青）を拡大した走査型電子顕微鏡画像。[写真：カリフォルニア大学バークレー校]

これらのグラフェン変調器は25平方ミクロンという極めて小型であるため、光ケーブルでは現在使用されているミリメートル単位の変調器が不要になる可能性があります。つまり、光ケーブルを小型化することで、静電容量（電荷を保持する能力）を低減し、データ伝送速度を向上させることができるのです。

張氏の同僚で、カリフォルニア大学バークレー校の物理学助教授であり、超高速ナノ光学グループの責任者でもある馮王氏は、グラフェンは他の周波数にも調整できると付け加えた。「グラフェンは、分子センシングで広く使用されている中赤外光などの新しい周波数域の変調にも使用できます。」

2004年に発見されたグラフェンは、柔軟性、最も薄くて最も強度の高い結晶材料であること、ゴムのようにしなやかであること、シリコンとの相性が良いこと、そして優れた熱伝導性と電気伝導性を持つことから、すぐにエレクトロニクス分野で高い評価を得る物質となりました。さらに、研究者たちは、グラフェンは安価で製造が容易であると述べています。

張氏の研究室の博士研究員で、この研究の共同筆頭著者であるミン・リウ氏は、「鉛筆1本分のグラファイトから、10億個の光変調器を製造するのに十分なグラフェンが得られる」と説明した。