Uno de los requisitos clave de las futuras tecnologías de comunicaciones ópticas es una fuente de luz a nanoescala capaz de emitir pulsos de luz ultrarrápidos. En un nuevo estudio, Los investigadores han demostrado que el grafeno puede ser un candidato ideal para una fuente de luz de este tipo, mediante la demostración de dispositivos basados ​​en grafeno que emiten pulsos de luz con un ancho de banda de hasta 10 GHz y duraciones de pulso de menos de 100 picosegundos (o 10 mil millones de pulsos por segundo).

Los investigadores, incluido el autor principal, Young Duck Kim, de la Universidad Kyung Hee en Corea del Sur, Profesor James Hone de la Universidad de Columbia, y sus coautores, han publicado un artículo sobre los emisores de luz basados ​​en grafeno en un número reciente de Nano letras .

"El grafeno es un material emergente importante en nanofotónica:un trabajo reciente ha demostrado fotodetectores y moduladores ópticos de alta velocidad basados ​​en grafeno, "Kim dijo Phys.org . "Este trabajo agrega emisión de luz a la caja de herramientas de los dispositivos fotónicos ultrarrápidos basados ​​en grafeno".

Como explican los físicos, El grafeno tiene varias propiedades que lo convierten en un candidato prometedor como emisor de luz ultrarrápido. incluyendo una alta estabilidad térmica y baja capacidad calorífica. Investigaciones anteriores han demostrado que los dispositivos basados ​​en grafeno pueden emitir luz en los rangos infrarrojo y visible, aunque sigue existiendo el desafío de permitir una modulación activa y desactivada práctica. Los investigadores explican que, para hacer esto, Se necesita un diseño de dispositivo soportado por sustrato con conducción de calor eficiente para permitir un enfriamiento rápido entre pulsos.

Para abordar esta necesidad, En el nuevo artículo, los investigadores encapsularon grafeno en nitruro de boro hexagonal (hBN). Demostraron que la encapsulación permite que el grafeno alcance temperaturas lo suficientemente altas como para emitir luz brillante en el rango visible e infrarrojo cercano. con buena estabilidad (vida útil estimada del dispositivo de al menos 4 años), y enfriamiento rápido. Como resultado, el dispositivo genera pulsos de luz ultrarrápidos con una duración tan corta como 90 picosegundos y una tasa de modulación que es varios órdenes de magnitud más rápida que los emisores térmicos convencionales.

Los físicos explican que la alta velocidad probablemente ocurre porque hay dos tipos diferentes de fonones (ópticos y acústicos), y los electrones del grafeno están fuertemente acoplados a los fonones ópticos pero débilmente acoplados a los fonones acústicos. Otro trabajo reciente ha demostrado que los electrones y fonones ópticos forman modos híbridos en la interfaz grafeno-hBN conocida como polaritones plasmón-fonón. que proporcionan una transferencia de calor de campo cercano altamente eficiente. Juntos, el débil acoplamiento de fonones acústicos y la relajación electrónica directa en hBN permiten el enfriamiento a una velocidad mucho más rápida que la requerida para transferir calor fuera del sistema por conducción, lo que permite altas velocidades de modulación.

Los investigadores esperan que los emisores de luz de grafeno ultrarrápidos tengan aplicaciones potenciales más allá de las comunicaciones ópticas de 100 GHz. extendiéndose a la espectroscopia en chip, fotodetectores, y plasmónicos. Los dispositivos también pueden ser útiles como calentadores ultrarrápidos para estudiar fenómenos como reacciones químicas y transiciones de fase. Como siguiente paso, los investigadores planean mejorar aún más las propiedades de emisión de luz de los dispositivos.

"Planeamos impulsar tanto la velocidad como la eficiencia de estos dispositivos, ", Dijo Hone." Nuestros cálculos indican que la velocidad fundamental de estos dispositivos debería superar los 100 GHz. Ahora mismo la eficiencia energética es baja, pero hay muchas técnicas que pueden usarse para aumentar la emisión de luz y reducir el flujo de calor con el fin de mejorar la eficiencia ".

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