Dos grupos de investigación de ETH Zurich han unido fuerzas para desarrollar un nuevo detector de luz. Consiste en capas bidimensionales de diferentes materiales que se acoplan a una guía de ondas óptica de silicio. En el futuro, este enfoque también se puede utilizar para fabricar LED y moduladores ópticos.

Los moduladores rápidos y altamente eficientes, así como los detectores de luz, son los componentes centrales de la transmisión de datos a través de cables de fibra óptica. En años recientes, los componentes básicos de las telecomunicaciones basados ​​en materiales ópticos existentes se han mejorado constantemente, pero ahora es cada vez más difícil lograr nuevas mejoras. Eso requiere las fuerzas combinadas de diferentes especializaciones, como han demostrado dos grupos de investigación de ETH Zurich.

Un grupo de científicos dirigido por los profesores Jürg Leuthold del Instituto de Campos Electromagnéticos y Lukas Novotny del Instituto de Fotónica, junto con colegas del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba (Japón), han desarrollado un detector de luz extremadamente rápido y sensible basado en la interacción entre nuevos materiales bidimensionales y guías de ondas ópticas nano-fotónicas. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Nanotecnología de la naturaleza .

Materiales bidimensionales

"En nuestro detector queríamos aprovechar las ventajas de diferentes materiales al tiempo que superamos sus limitaciones individuales, "explica Nikolaus Flöry, un doctorado estudiante en el grupo de Novotny. "La mejor manera de hacerlo es fabricar una especie de cristal artificial, también conocido como heteroestructura, a partir de diferentes capas que tienen solo unos pocos átomos de espesor cada una. Además, nos interesaba saber si todo el rumor acerca de estos materiales bidimensionales para aplicaciones prácticas está realmente justificado ".

En materiales bidimensionales, como el grafeno, los electrones solo se mueven en un plano en lugar de en tres dimensiones espaciales. Esto altera profundamente sus propiedades de transporte, por ejemplo, cuando se aplica un voltaje eléctrico. Si bien el grafeno no es la opción ideal para aplicaciones ópticas, compuestos de metales de transición como molibdeno o tungsteno y calcogenes como azufre o telurio (abreviado como TMDC) son altamente fotosensibles y, encima de eso, se puede combinar fácilmente con guías de ondas ópticas de silicio.

Interacción de diferentes enfoques

La experiencia en las guías de ondas y la optoelectrónica de alta velocidad provino del grupo de investigación de Jürg Leuthold. Ping Ma, el científico principal del grupo, destaca que fue la interacción entre los dos enfoques lo que hizo posible el nuevo detector:"Comprender tanto los materiales bidimensionales como las guías de ondas a través de las cuales se alimenta la luz al detector fue de fundamental importancia para nuestro éxito. Juntos, Nos dimos cuenta de que los materiales bidimensionales son especialmente adecuados para combinarlos con guías de ondas de silicio. Las especializaciones de nuestros grupos se complementan a la perfección ".

Los investigadores tuvieron que encontrar una manera de hacer que los detectores basados ​​en TMDC, normalmente bastante lentos, fueran más rápidos. Por otra parte, el detector tenía que acoplarse de manera óptima a las estructuras de silicio utilizadas como interfaz sin sacrificar su rendimiento de alta velocidad.

Velocidad a través de la estructura vertical

"Resolvimos el problema de la velocidad al realizar una heteroestructura vertical hecha de un TMDC (ditelurida de molibdeno en nuestro caso) y grafeno, "Dice Flöry. A diferencia de los detectores convencionales, de esa manera, los electrones excitados por las partículas de luz entrantes no necesitan atravesar primero la mayor parte del material antes de ser medidos. En lugar de, la capa bidimensional de TMDC asegura que los electrones puedan abandonar el material en muy poco tiempo, ya sea hacia arriba o hacia abajo.

Cuanto más rápido se van, mayor es el ancho de banda del detector. El ancho de banda indica a qué frecuencia se pueden recibir los datos codificados en pulsos de luz. "Esperábamos obtener algunos gigahercios de ancho de banda con nuestra nueva tecnología; al final, en realidad llegamos a 50 gigahercios, "dice Flöry. Hasta ahora, Los anchos de banda de menos de un gigahercio eran posibles con detectores basados ​​en TMDC.

Acoplamiento de luz óptimo, por otra parte, se logró mediante la integración del detector en una guía de ondas óptica nano-fotónica. Una llamada ola evanescente, que sobresale lateralmente de la guía de ondas, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

Allí, 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."

En el futuro cercano, 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. Es más, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.