Forskere demonstrerer grafen som en kilde til højhastigheds lysimpulser

Et af nøglekravene til fremtidige optiske kommunikationsteknologier er en nanoskala lyskilde, der er i stand til at udsende ultrahurtige lysimpulser. I en ny undersøgelse, forskere har vist, at grafen kan være en ideel kandidat til sådan en lyskilde, ved at demonstrere grafen-baserede enheder, der udsender lysimpulser med en båndbredde på op til 10 GHz og impulsvarigheder på mindre end 100 picosekunder (eller 10 milliarder impulser pr. sekund).

Forskerne, inklusive hovedforfatter Young Duck Kim ved Kyung Hee University i Sydkorea, Professor James Hone ved Columbia University, og deres medforfattere, har udgivet et papir om de grafen-baserede lysstrålere i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Graphen er et vigtigt spirende materiale inden for nanofotonik:nyere arbejde har demonstreret grafenbaserede højhastighedsfotodetektorer og optiske modulatorer, " fortalte Kim Phys.org . "Dette arbejde tilføjer lysemission til værktøjskassen af ​​ultrahurtige grafen-baserede fotoniske enheder."

Som fysikerne forklarer, grafen har flere egenskaber, der gør det til en lovende kandidat som en ultrahurtig lysudsender, herunder en høj termisk stabilitet og lav varmekapacitet. Tidligere forskning har vist, at grafen-baserede enheder kan udsende lys i de infrarøde og synlige områder, selvom udfordringen med at muliggøre praktisk hurtig on-off modulering stadig består. Forskerne forklarer, at for at gøre dette, et substrat-understøttet enhedsdesign med effektiv varmeledning er nødvendig for at muliggøre hurtig afkøling mellem impulser.

For at imødekomme dette behov, i det nye papir indkapslede forskerne grafen i hexagonal bornitrid (hBN). De demonstrerede, at indkapslingen tillader grafen at nå temperaturer, der er høje nok til at udsende skarpt lys i det synlige og nær infrarøde område, med god stabilitet (anslået levetid på enheden på mindst 4 år), og hurtig afkøling. Som resultat, enheden genererer ultrahurtige lysimpulser med en varighed så kort som 90 picosekunder og en modulationshastighed, der er flere størrelsesordener hurtigere end konventionelle termiske emittere.

Fysikerne forklarer, at den høje hastighed sandsynligvis opstår, fordi der er to forskellige typer fononer (optiske og akustiske), og elektronerne i grafen er stærkt koblet til de optiske fononer, men svagt koblet til de akustiske fononer. Andet nyligt arbejde har vist, at elektroner og optiske fononer danner hybride tilstande ved grafen-hBN-grænsefladen kendt som plasmon-fonon-polaritoner, som giver højeffektiv varmeoverførsel i nærområdet. Sammen, den svage akustiske fononkobling og direkte elektronisk afspænding i hBN muliggør afkøling med en meget hurtigere hastighed end nødvendig for at overføre varme ud af systemet ved ledning, hvilket giver mulighed for de høje modulationshastigheder.

Forskerne forventer, at de ultrahurtige grafen-lysemittere har potentielle anvendelser ud over 100 GHz optisk kommunikation, udvides til on-chip spektroskopi, fotodetektorer, og plasmonik. Enhederne kan også være nyttige som ultrahurtige varmeapparater til at studere fænomener som kemiske reaktioner og faseovergange. Som et næste skridt, forskerne planlægger at forbedre enhedernes lysemitterende egenskaber yderligere.

"Vi planlægger at presse både hastigheden og effektiviteten af ​​disse enheder, " sagde Hone. "Vores beregninger indikerer, at den grundlæggende hastighed for disse enheder bør overstige 100 GHz. Lige nu er energieffektiviteten lav, men der er mange teknikker, der kan bruges til at øge lysudsendelsen og reducere varmestrømmen for at forbedre effektiviteten."

© 2018 Phys.org