Ключевым компонентом коммуникационных технологий следующих поколений, включая те, которые будут работать в пределах одного кристалла полупроводникового чипа, является наноразмерный источник света, способный вырабатывать сверхкороткие импульсы света с большой скоростью.
Исследователям из Южной Кореи и США удалось продемонстрировать, что идеальным кандидатом для этого является созданный ими источник света, основой которого является крошечный участок графеновой пленки.
За счет использования некоторых технологических уловок этот источник способен вырабатывать импульсы света с частотой до 10 ГГц (10 миллиардов импульсов в секунду), при этом, продолжительность одного импульса не превышает 100 пикосекунд.
Графен является идеальным материалом для создания подобных источников света в силу его нескольких уникальных свойств. Во-первых, этот материал способен излучать свет в достаточно широком диапазоне, начиная от видимого и заканчивая близким инфракрасным диапазоном.
И, во-вторых, графен обладает удивительно высокой теплопроводностью, что позволяет очень быстро охладить участок графеновой пленки, что, в свою очередь, обеспечивает высокое быстродействие источника и возможность модуляции излучаемого им света.
Для обеспечения защиты графена от окружающей среды и ускорения процесса охлаждения ученые заключили графен в капсулу из нитрида бора (hBN) с шестиугольной кристаллической структурой.
Это обеспечивает достаточно долгий срок службы такого источника света, который составляет минимум четыре года непрерывной работы. Дополнительное эффективное охлаждение графена позволяет источнику вырабатывать импульсы света с минимальной длительностью в 90 пикосекунд при уровне модуляции, на несколько порядков величины превышающем уровень модуляции других тепловых источников света.
Ученые объясняют, что столь высокие характеристики графенового источника света являются следствием ряда взаимодействий различных видов фотонов (оптических и акустических) которые происходят во время работы устройства.
Электроны в графене интенсивно взаимодействуют с излучаемыми оптическими фотонами, фотонами света, а на границе графена и нитрида бора возникают так называемые плазмонно-фононные поляритоны, которые обеспечивают крайне эффективный процесс “полевой” теплопередачи, что позволяет охладить графен с очень высокой скоростью.
Исследователи рассчитывают, что в будущем им удастся создать подобные графеновые источники света, способные работать на частотах порядка 100 ГГц, что обеспечит возможность их использования не только в телекоммуникациях, но и в целом ряде других областей.
Помимо этого, ученые планируют увеличить эффективность работы источника света, которая сейчас достаточно низка, что позволит увеличить количество вырабатываемого света, снизив или оставив на прежнем уровне количество потребляемой устройством энергии.