Två forskargrupper vid ETH Zürich har gått samman för att utveckla en ny ljusdetektor. Den består av tvådimensionella lager av olika material som är kopplade till en optisk kiselvågledare. I framtiden, detta tillvägagångssätt kan också användas för att tillverka lysdioder och optiska modulatorer.

Snabba och högeffektiva modulatorer samt detektorer för ljus är kärnkomponenterna för dataöverföring genom fiberoptiska kablar. På senare år har de byggstenar för telekommunikation baserade på befintliga optiska material har ständigt förbättrats, men nu blir det allt svårare att uppnå ytterligare förbättringar. Det kräver de kombinerade krafterna av olika specialiseringar, som två forskargrupper vid ETH Zürich nu har visat.

En grupp forskare ledda av professorerna Jürg Leuthold från Institutet för elektromagnetiska fält och Lukas Novotny från Institutet för fotonik, tillsammans med kollegor vid National Institute for Material Science i Tsukuba (Japan), har utvecklat en extremt snabb och känslig ljusdetektor baserad på samspelet mellan nya tvådimensionella material och nanofotoniska optiska vågledare. Deras resultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Tvådimensionella material

"I vår detektor ville vi utnyttja fördelarna med olika material samtidigt som vi övervinner deras individuella begränsningar, " förklarar Nikolaus Flöry, en Ph.D. student i Novotnys grupp. "Det bästa sättet att göra det är att tillverka en sorts artificiell kristall – även känd som heterostruktur – från olika lager som var och en bara är några atomer tjocka. Dessutom, vi var intresserade av att veta om allt surr om sådana tvådimensionella material för praktiska tillämpningar verkligen är berättigat."

I tvådimensionella material, som grafen, elektroner rör sig bara i ett plan snarare än tre rumsliga dimensioner. Detta förändrar djupt deras transportegenskaper, till exempel när en elektrisk spänning appliceras. Även om grafen inte är det perfekta valet för optikapplikationer, föreningar av övergångsmetaller som molybden eller volfram och kalkogener som svavel eller tellur (förkortat TMDC) är mycket ljuskänsliga och, dessutom, kan enkelt kombineras med optiska vågledare av kisel.

Samspel mellan olika tillvägagångssätt

Expertisen för vågledarna och höghastighetsoptoelektroniken kom från Jürg Leutholds forskargrupp. Ping Ma, gruppens seniorforskare, betonar att det var samspelet mellan de två tillvägagångssätten som gjorde den nya detektorn möjlig:"Att förstå både de tvådimensionella materialen och vågledarna genom vilka ljus matas in i detektorn var av grundläggande betydelse för vår framgång. Tillsammans, vi insåg att tvådimensionella material är särskilt lämpade att kombineras med vågledare av kisel. Våra gruppers specialiseringar kompletterade varandra perfekt."

Forskarna var tvungna att hitta ett sätt att göra de vanligtvis ganska långsamma TMDC-baserade detektorerna snabbare. Å andra sidan, detektorn måste kopplas optimalt till kiselstrukturerna som används som gränssnitt utan att offra dess höghastighetsprestanda.

Hastighet genom vertikal struktur

"Vi löste hastighetsproblemet genom att realisera en vertikal heterostruktur gjord av en TMDC - molybdenditellurid i vårt fall - och grafen, " säger Flöry. Till skillnad från konventionella detektorer, på det sättet behöver elektroner som exciteras av inkommande ljuspartiklar inte först ta sig igenom huvuddelen av materialet innan de mäts. Istället, det tvådimensionella lagret av TMDC säkerställer att elektroner kan lämna materialet på mycket kort tid antingen uppåt eller nedåt.

Ju snabbare de går, desto större är detektorns bandbredd. Bandbredden indikerar vid vilken frekvens data kodad i ljuspulser kan tas emot. "Vi hade hoppats på att få några gigahertz bandbredd med vår nya teknik - till slut, vi nådde faktiskt 50 Gigahertz, säger Flöry. Hittills har bandbredder på mindre än en Gigahertz var möjliga med TMDC-baserade detektorer.

Optimal light coupling, å andra sidan, was achieved by integrating the detector into a nano-photonic optical waveguide. A so-called evanescent wave, which laterally protrudes from the waveguide, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

Där, they excite electrons that are eventually detected as a current. The integrated waveguide design ensures that enough light is absorbed in that process.

Technology with multiple possibilities

The ETH researchers are convinced that with this combination of waveguides and heterostructures they can make not just light detectors, but also other optical elements such as light modulators, LEDs and lasers. "The possibilities are almost limitless, " Flöry and Ma enthuse about their discovery. "We just picked out the photodetector as an example of what can be done with this technology."

In the near future, the scientists want to use their findings and investigate other two-dimensional materials. About a hundred of them are known to date, which gives countless possible combinations for novel heterostructures. Dessutom, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.