Investigadores de ETH Zurich han demostrado un nuevo tipo de detector de grafeno óptico ultrarrápido basado en filas de diminutas antenas de oro. La impresión de este artista muestra una serie de estos dispositivos, cada uno iluminado directamente desde arriba por una fibra monomodo. [Image: S. Koepfli, Institute of Electromagnetic Fields, ETH Zurich, Switzerland]
Entre la larga lista de propiedades deslumbrantes del grafeno se encuentra su respuesta extremadamente rápida a la luz entrante, lo que podría conducir a un nuevo tipo de fotodetector ultrarrápido que podría satisfacer la demanda cada vez mayor de ancho de banda de Internet. Pero la delgadez excepcional del grafeno, que consiste en láminas individuales de carbono de solo un átomo de espesor, significa que absorbe la luz de manera deficiente, y generalmente aprovecha solo alrededor del 2% de la energía de un rayo láser.
Ahora, científicos en Suiza dicen que han demostrado cómo se puede explotar la velocidad del rayo del grafeno después de todo, combinándolo con un absorbente de infrarrojos especialmente diseñado, un metamaterial compuesto por una serie de diminutas antenas doradas (Science, doi: 10.1126/ciencia.adg8017). Según los informes, los investigadores demostraron un ancho de banda de fotodetección récord mundial de 500 GHz con una respuesta de frecuencia plana en gran parte del espectro infrarrojo cercano. Aunque la absorbancia general del dispositivo sigue siendo bastante baja, creen que su capacidad para manejar fuerzas de entrada más altas junto con más optimizaciones de diseño podría permitir una nueva generación de fotodetectores basados en grafeno.
Metamaterial a base de oro
Hasta la fecha, varios investigadores que desarrollan fotodetectores basados en grafeno han tratado de superar la debilidad de absorción del material integrando los dispositivos dentro de circuitos fotónicos integrados. Este enfoque tiene las ventajas de la velocidad y la aplicabilidad en un amplio rango espectral. Sin embargo, este rango solo se puede alcanzar completamente cambiando la geometría del circuito.
Para su solución al problema de la absorción, Stefan Kopfli, Joerg Luthold y sus colegas de ETH Zurich están buscando un metamaterial basado en oro iluminado en el espacio libre con fibras monomodo.
Para su solución al problema de la absorción, Stefan Kopfli, Joerg Luthold y sus colegas de ETH Zurich están buscando un metamaterial basado en oro iluminado en el espacio libre con fibras monomodo. El dispositivo consta de cinco capas, y las dos capas inferiores están compuestas por una placa reflectante de oro y un separador de óxido de aluminio. Además de esto, hay una sola capa de grafeno, con el metamaterial adjunto, seguida de una capa de pasivación de óxido de aluminio para cubrir el dispositivo.
El metamaterial consta de un conjunto de antenas dipolo de 10 × 10 de ~250 nm de longitud, que se fabrican como extensiones periódicas de un cable de oro estrecho y se colocan a una distancia de 1 μm. Las antenas responden al campo eléctrico de las ondas infrarrojas generando puntos de acceso electromagnéticos en sus proximidades, de los cuales el grafeno absorbe parte de la energía. (Este proceso está habilitado por norte-tipo f s– el tipo de dopaje creado por la alternancia de contactos de oro y plata.)
Señal fuerte, tasa de bits alta
Para probar la velocidad de respuesta de sus dispositivos, Koepfli y sus colegas sometieron pulsos láser con frecuencias entre 2 y 500 GHz. El dispositivo generó una señal fuerte en todo el rango y estuvo consistentemente por encima de -3 dB, con el extremo superior del rango correspondiente al ancho de banda más alto del fotodetector. También registraron una tasa de bits más alta que cualquier otro detector de grafeno, medida a 132 Gb/s usando modulación de rango de pulso láser binario.
Los investigadores argumentan que esta tolerancia de potencias más altas debería compensar parcialmente la respuesta más baja, dadas las corrientes puras más grandes que resultan.
A pesar de la absorción excepcional del metamaterial, el equipo de ETH registró lo que admite que es una respuesta baja (la relación entre la corriente de salida y la energía de la luz): solo 0,75 mA/W. Esto indica que el dispositivo requiere alrededor de 1000 fotones por cada par de huecos de electrones que crea, en comparación con los 10 fotones por par de los fotodiodos modernos. Pero los investigadores señalan que la relación entre la corriente y la potencia sigue siendo lineal hasta los 200 megavatios, con pruebas destructivas de dispositivos similares que no muestran daños por debajo de 1 vatio.
Los investigadores argumentan que esta tolerancia de potencias más altas debería compensar parcialmente la respuesta más baja, dadas las corrientes puras más grandes que resultan. En cualquier caso, dicen que las demostraciones anteriores de fotodetectores luminosos de grafeno en el espacio libre muestran el potencial para mejorar la respuesta: dispositivos basados en la duplicación de portadores o el grafeno multicapa exfoliado que ya han logrado respuestas más altas sin mejora óptica (como el uso de metamateriales).
Además, Koepfli y sus colegas descubrieron que sus dispositivos tenían excelentes características espectrales, con una respuesta plana en una banda espectral de 200 nanómetros de ancho y longitudes de onda centrales de 1400 a 4200 nanómetros y más. También fabricaron antenas de 30 longitudes diferentes y mostraron en cada caso una resonancia de absorción consistente con las simulaciones. Además, fabricaron un solo dispositivo con antenas de diferentes longitudes puntuadas una por una para mostrar que cada antena podía responder por separado a su propia frecuencia resonante, una propiedad potencialmente útil, señalaron, para impulsar nuevos rangos de comunicación.
diseño sencillo
Además, Koepfli y sus colegas descubrieron que sus dispositivos tenían excelentes características espectrales, con una respuesta plana en una banda espectral de 200 nanómetros de ancho y longitudes de onda centrales de 1400 a 4200 nanómetros y más.
Los investigadores agregan que el dispositivo de grafeno tiene otros puntos adicionales. Por ejemplo, dicen, el apilamiento relativamente sencillo de cinco capas de metal, dieléctrico, grafeno, metal y dieléctrico es compatible con casi cualquier tipo de sustrato. También señalan que, a diferencia de la mayoría de los detectores de grafeno anteriores, obtuvieron sus resultados sin condiciones de enfriamiento o vacío, y utilizaron voltajes de puerta compatibles con la tecnología CMOS.
Los investigadores dicen que ahora están trabajando en un fotodetector con una mayor respuesta, pero no están dispuestos a proporcionar detalles sobre el nuevo trabajo en este momento.
