Höghastighetsljussändare integrerade på kiselchips kan möjliggöra nya arkitekturer för kiselbaserad optoelektronik. Dock, sammansatta halvledarbaserade ljussändare står inför stora utmaningar för sin integration med en kiselbaserad plattform på grund av deras svårighet att direkt tillverka på ett kiselsubstrat. Här, hög hastighet, högintegrerade grafenbaserade svartkroppssändare på kiselchip i den nära infraröda (NIR) regionen inklusive telekommunikationsvåglängd utvecklades.

Grafen är ett tvådimensionellt nanokolmaterial, har unik elektronisk, optiska och termiska egenskaper som kan tillämpas för optoelektroniska enheter. Grafenbaserade svartkroppssändare är också lovande ljussändare på kiselchip i NIR och mellaninfraröd region. Dock, även om grafenbaserade svartkroppssändare har visats under steady-state-förhållanden eller relativt långsam modulering (100 kHz), de transienta egenskaperna hos dessa sändare under höghastighetsmodulering har inte rapporterats hittills. Också, optisk kommunikation med grafenbaserade sändare har aldrig visats.

Här, forskarna visade en mycket integrerad, höghastighets och on-chip svartkroppssändare baserad på grafen i NIR-regionen inklusive telekommunikationsvåglängd. En snabb svarstid på ~ 100 pikosekunder har experimentellt demonstrerats för enkel- och fålagers grafen. Emissionssvaren kan styras av grafenkontakten med substratet beroende på antalet grafenlager. Mekanismerna för höghastighetsemissionen klarläggs genom att utföra teoretiska beräkningar av värmeledningsekvationerna med hänsyn till den termiska modellen av emitters inklusive grafen och ett substrat.

De simulerade resultaten indikerar att de snabba svarsegenskaperna inte bara kan förstås av den klassiska termiska transporten av värmeledning i planet i grafen och värmeavledning till substratet utan också av den avlägsna kvanttermiska transporten via ytpolära fononer (SPoPhs) av substraten. Dessutom, den första optiska realtidskommunikationen med grafenbaserade ljussändare demonstrerades experimentellt, vilket indikerar att grafenemittrar är nya ljuskällor för optisk kommunikation. Vidare, vi tillverkade integrerade tvådimensionella array-sändare med storskalig grafen odlad med kemisk ångdeposition (CVD)-metoden och täckta sändare som kan användas i luft, och utförde den direkta kopplingen av optiska fibrer till emittrarna på grund av deras lilla fotavtryck och plana anordningsstruktur.

Grafenljussändare är mycket fördelaktiga jämfört med konventionella sammansatta halvledarsändare eftersom de kan integreras i hög grad på kiselchips på grund av enkla tillverkningsprocesser av grafenemitters och direkt koppling med kiselvågledare genom ett evanescent fält. Eftersom grafen kan realisera hög hastighet, litet fotavtryck och on-Si-chip ljussändare, som fortfarande är utmaningar för sammansatta halvledare, de grafenbaserade ljussändare kan öppna nya vägar till högintegrerad optoelektronik och kiselfotonik.