High-speed og on-silicium-chip graphene blackbody emittere

Højhastigheds lysgivere integreret på siliciumchips kan muliggøre nye arkitekturer for siliciumbaseret optoelektronik. Imidlertid, sammensatte-halvleder-baserede lysgivere står over for store udfordringer for deres integration med en siliciumbaseret platform på grund af deres vanskeligheder med direkte fremstilling på et siliciumsubstrat. Her, høj hastighed, højt-integrerede grafen-baserede på-silicium-chip sorte legeme emittere i den nær-infrarøde (NIR) region inklusive telekommunikation bølgelængde blev udviklet.

Grafen er et todimensionelt nanocarbonmateriale, have unikke elektroniske, optiske og termiske egenskaber, der kan anvendes til optoelektroniske enheder. Grafen-baserede blackbody-emittere er også lovende lys-emittere på siliciumchip i NIR og mellem-infrarød region. Imidlertid, selvom grafen-baserede sortlegeme-emittere er blevet påvist under steady-state-forhold eller relativt langsom modulering (100 kHz), de transiente egenskaber af disse emittere under højhastighedsmodulation er ikke blevet rapporteret til dato. Også, optisk kommunikation med grafen-baserede emittere er aldrig blevet påvist.

Her, forskerne demonstrerede en meget integreret, højhastigheds- og on-chip blackbody-emitter baseret på grafen i NIR-regionen inklusive telekommunikationsbølgelængde. En hurtig responstid på ~ 100 picosekunder er eksperimentelt blevet demonstreret for enkelt- og fålagsgrafen. Emissionsreaktionerne kan styres af grafenkontakten med substratet afhængigt af antallet af grafenlag. Mekanismerne for højhastighedsemissionen belyses ved at udføre teoretiske beregninger af varmeledningsligningerne under hensyntagen til den termiske model af emittere inklusive grafen og et substrat.

De simulerede resultater indikerer, at de hurtige responsegenskaber ikke kun kan forstås af den klassiske termiske transport af varmeledning i planet i grafen og varmeafledning til substratet, men også af den fjerntliggende kvantetermiske transport via de polære overfladefononer (SPoPhs) af substraterne. Ud over, den første optiske kommunikation i realtid med grafenbaserede lysgivere blev eksperimentelt demonstreret, hvilket indikerer, at grafenemittere er nye lyskilder til optisk kommunikation. Desuden, vi fremstillede integrerede todimensionelle array-emittere med storskala grafen dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD)-metoden og lukkede emittere, der kan fungere i luft, og udførte den direkte kobling af optiske fibre til emitterne på grund af deres lille fodaftryk og plane enhedsstruktur.

Grafen-lysemittere er meget fordelagtige i forhold til konventionelle sammensatte halvlederemittere, fordi de kan integreres i høj grad på siliciumchips på grund af simple fremstillingsprocesser af grafenemittere og direkte kobling med siliciumbølgeleder gennem et forsvindende felt. Fordi grafen kan realisere høj hastighed, lille fodaftryk og on-Si-chip lysgivere, som stadig er udfordringer for sammensatte halvledere, de grafenbaserede lysgivere kan åbne nye veje til højt integreret optoelektronik og siliciumfotonik.