Графен как источник высокоскоростных световых импульсов
Одним из ключевых требований будущих оптических коммуникационных технологий является наноразмерный источник света, способный излучать сверхбыстрые световые импульсы. В новой работе исследователи показали, что графен 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.
«Графен 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, графен 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 свет 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 графен в гексагональном нитриде бора (hBN). Они продемонстрировали, что инкапсуляция позволяет графену достигать температур, которые достаточно высоки, чтобы излучать яркий свет 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 электроны 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.
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