En av de viktigaste kraven för framtida optisk kommunikationsteknik är en ljuskälla i nanoskala som kan avge ultrasnabba ljuspulser. I en ny studie, forskare har visat att grafen kan vara en idealisk kandidat för en sådan ljuskälla, genom att demonstrera grafenbaserade enheter som avger ljuspulser med en bandbredd på upp till 10 GHz och en pulslängd på mindre än 100 pikosekunder (eller 10 miljarder pulser per sekund).

Forskarna, inklusive huvudförfattaren Young Duck Kim vid Kyung Hee University i Sydkorea, Professor James Hone vid Columbia University, och deras medförfattare, har publicerat ett papper om de grafenbaserade ljusstrålarna i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

"Grafen är ett viktigt framväxande material inom nanofotonik:senaste arbetet har visat grafenbaserade höghastighetsfotodetektorer och optiska modulatorer, "Berättade Kim Phys.org . "Detta arbete tillför ljusemission till verktygslådan för ultrasnabba grafenbaserade fotoniska enheter."

Som fysikerna förklarar, grafen har flera egenskaper som gör den till en lovande kandidat som en ultrasnabb ljussändare, inklusive hög termisk stabilitet och låg värmekapacitet. Tidigare forskning har visat att grafenbaserade enheter kan avge ljus i de infraröda och synliga områdena, även om utmaningen att möjliggöra praktisk snabb på-av-modulering fortfarande kvarstår. Forskarna förklarar att för att göra detta, en substratstödd enhetsdesign med effektiv värmeledning behövs för att möjliggöra snabb kylning mellan pulserna.

För att tillgodose detta behov, i det nya papperet inkapslade forskarna grafen i hexagonal bornitrid (hBN). De visade att inkapslingen gör att grafen kan nå temperaturer som är tillräckligt höga för att avge starkt ljus i det synliga och nära infraröda området, med god stabilitet (beräknad livslängd på minst 4 år), och snabb kylning. Som ett resultat, enheten genererar ultrasnabba ljuspulser med en längd så kort som 90 pikosekunder och en modulationshastighet som är flera storleksordningar snabbare än konventionella termiska emitter.

Fysikerna förklarar att den höga hastigheten sannolikt inträffar eftersom det finns två olika typer av fononer (optiska och akustiska), och elektronerna i grafen är starkt kopplade till de optiska fononerna men svagt kopplade till de akustiska fononerna. Andra nyligen genomförda arbeten har visat att elektroner och optiska fononer bildar hybridlägen vid grafen-hBN-gränssnittet som kallas plasmon-phonon-polaritoner, som ger mycket effektiv närfältvärmeöverföring. Tillsammans, den svaga akustiska fononkopplingen och direkt elektronisk avkoppling till hBN möjliggör kylning med mycket snabbare hastighet än vad som krävs för att överföra värme från systemet genom ledning, vilket möjliggör höga moduleringshastigheter.

Forskarna förväntar sig att de ultrasnabba grafenljusemitterarna har potentiella tillämpningar utöver 100 GHz optisk kommunikation, sträcker sig till on-chip-spektroskopi, fotodetektorer, och plasmonik. Enheterna kan också vara användbara som ultrasnabba värmare för att studera fenomen som kemiska reaktioner och fasövergångar. Som ett nästa steg, forskarna planerar att ytterligare förbättra enheternas ljusemitterande egenskaper.

"Vi planerar att öka både hastigheten och effektiviteten hos dessa enheter, "Hone said." Våra beräkningar indikerar att grundhastigheten för dessa enheter bör överstiga 100 GHz. Just nu är energieffektiviteten låg, men det finns många tekniker som kan användas för att öka ljusutsläpp och minska värmeflödet för att förbättra effektiviteten. "

© 2018 Phys.org