Nanorør på en chip kan forenkle optiske effektmålinger

(Phys.org) —National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret et nyt chip-skalainstrument fremstillet af carbon nanorør, der kan forenkle absolutte målinger af laserkraft, især lyssignalerne transmitteret af optiske fibre i telekommunikationsnetværk.

Prototypen, en miniatureversion af et instrument kaldet et kryogent radiometer, er en siliciumchip toppet med cirkulære måtter af carbon nanorør stående på enden. Mini-radiometeret bygger på NIST's tidligere arbejde ved hjælp af nanorør, verdens mørkeste kendte stof, at lave en ultraeffektiv, meget præcis optisk effektdetektor, og fremskynder NISTs evne til at måle lasereffekt leveret gennem fiber til kalibreringskunder.

"Dette er vores spil for lederskab inden for lasereffektmålinger, "siger projektleder John Lehman." Dette er uden tvivl det sejeste, vi har gjort med carbon nanorør. De er ikke bare sorte, men de har også de temperaturegenskaber, der er nødvendige for at gøre komponenter som elektriske varmeapparater virkelig multifunktionelle. "

NIST og andre nationale metrologiske institutter rundt om i verden måler laserkraft ved at spore det til grundlæggende elektriske enheder. Radiometre absorberer energi fra lys og omdanner det til varme. Derefter måles den elektriske effekt, der er nødvendig for at forårsage den samme temperaturstigning. NIST-forskere fandt ud af, at mini-radiometret nøjagtigt måler både laserstrøm (bragt til det af en optisk fiber) og den tilsvarende elektriske effekt inden for begrænsningerne af det uperfekte eksperimentelle setup. Testene blev udført ved en temperatur på 3,9 K, ved hjælp af lys ved telekombølgelængden på 1550 nanometer.

De små cirkulære skove af høje, tynde nanorør kaldet VANTAs ("vertikalt justerede nanorørarrays") har flere ønskelige egenskaber. Mest vigtigt, de absorberer ensartet lys over en bred vifte af bølgelængder, og deres elektriske modstand afhænger af temperaturen. De alsidige nanorør udfører tre forskellige funktioner i radiometeret. En VANTA -måtte fungerer som både en lysdæmper og en elektrisk varmelegeme, og en anden VANTA -måtte fungerer som en termistor (en komponent, hvis elektriske modstand varierer med temperaturen). VANTA måtterne dyrkes på den mikrobearbejdede siliciumchip, et instrumentdesign, der er let at ændre og kopiere. I denne ansøgning, de enkelte nanorør er cirka 10 nanometer i diameter og 150 mikrometer lange.

Derimod, almindelige kryogene radiometre bruger flere typer materialer og er sværere at lave. De er typisk håndmonteret ved hjælp af et hulrum malet med kulstof som lysdæmper, en elektrisk ledning som varmelegeme, og en halvleder som termistor. Desuden, disse instrumenter skal modelleres og karakteriseres grundigt for at justere deres følsomhed, der henviser til, at den tilsvarende kapacitet i NISTs mini-radiometer let mønstres i silicium.

NIST planlægger at ansøge om patent på chip-skala radiometer. Enkle ændringer såsom forbedret temperaturstabilitet forventes at forbedre enhedens ydeevne i høj grad. Fremtidig forskning kan også tage fat på at udvide laserstrømområdet til det langt infrarøde, og integration af radiometeret i en potentiel multifunktionel "NIST på en chip" -enhed.