Графен как источник высокоскоростных световых импульсов

0 2 209

Одним из ключевых требований будущих оптических коммуникационных технологий является наноразмерный источник света, способный излучать сверхбыстрые световые импульсы. В новой работе исследователи показали, что может быть идеальным кандидатом для такого источника света, демонстрируя устройства на основе графена, которые излучают световые импульсы с полосой пропускания до 10 ГГц и длительностью импульса менее 100 пикосекунд (или 10 млрд. импульсов в секунду).

Исследователи, в том числе ведущий автор Young Duck Kim из Университета Kyung Hee в Южной Корее, профессор Джеймс Хон в Колумбийском университете и их соавторы опубликовали статью о светящихся излучателях на графене в недавнем выпуске Nano Letters.

« является важным материалом в нанофотонике: в недавней работе были продемонстрированы высокоскоростные фотоприемники на основе графена и оптические модуляторы», — сказал Ким Юн Дук.

Как объясняют физики, обладает несколькими свойствами, которые делают его перспективным кандидатом на сверхбыстрый излучатель света, включая высокую термическую стабильность и низкую теплоемкость. Предыдущие исследования продемонстрировали, что устройства на основе графена могут излучать в инфракрасном и видимом диапазонах, хотя проблема обеспечения быстрой модуляции по-прежнему сохраняется. Исследователи объясняют, что для этого требуется конструкция устройства с поддержкой подложки с эффективной теплопроводностью, чтобы обеспечить быстрое охлаждение между импульсами.

Для решения этой проблемы в новой статье исследователи инкапсулировали в гексагональном нитриде бора (hBN). Они продемонстрировали, что инкапсуляция позволяет графену достигать температур, которые достаточно высоки, чтобы излучать яркий в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с хорошей стабильностью (предполагаемый срок службы устройства не менее 4 лет) и быстрым охлаждением. В результате устройство генерирует сверхбыстрые световые импульсы с длительностью до 90 пикосекунд и скоростью модуляции, которая на несколько порядков выше, чем у обычных тепловых излучателей.

Физики объясняют, что высокая скорость, вероятно, возникает из-за наличия двух разных типов фононов (оптических и акустических), а в графене сильно связаны с оптическими фононами, но слабо связаны с акустическими. Другая недавняя работа показала, что электроны и оптические фононы образуют гибридные моды на границе графена-hBN, известные как плазмон-фононные поляритоны, которые обеспечивают высокоэффективный теплообмен в ближнем поле. Вместе слабая акустическая фононная связь и прямая электронная релаксация в hBN позволяют охлаждать с гораздо большей скоростью, чем требуется для передачи тепла из системы по проводимости, что позволяет обеспечить высокую скорость модуляции.

Смотрите также  Странное сверхтвердое состояние материи создано в новом измерении

Исследователи ожидают, что ультрабыстрые излучатели из графена имеют потенциальное применение за пределами оптической связи 100 ГГц, распространяясь на встроенную спектроскопию, фотоприемники и плазмонику. Устройства также могут быть полезны как сверхбыстрые нагреватели для изучения таких явлений, как химические реакции и фазовые переходы. В качестве следующего шага исследователи планируют дальнейшее улучшение светоизлучающих свойств устройств.

«Мы планируем повысить скорость и эффективность этих устройств, — сказал Хон. «Наши расчеты показывают, что основная скорость этих устройств должна превышать 100 ГГц. Сейчас энергоэффективность низкая, но существует множество методов, которые могут быть использованы для повышения светового излучения и уменьшения теплового потока для повышения эффективности».


Больше информации: Young Duck Kim et al. «Ultrafast Graphene Light Emitters.» Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04324 

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x