Emissores de luz de alta velocidade integrados em chips de silício podem permitir novas arquiteturas para optoeletrônica baseada em silício. Contudo, Emissores de luz baseados em semicondutores compostos enfrentam grandes desafios para sua integração com uma plataforma baseada em silício devido à sua dificuldade de fabricação direta em um substrato de silício. Aqui, alta velocidade, Foram desenvolvidos emissores de corpo negro com chip de silício baseados em grafeno altamente integrados na região do infravermelho próximo (NIR), incluindo comprimento de onda de telecomunicação.

O grafeno é um material de nanocarbono bidimensional, tendo eletrônicos únicos, propriedades ópticas e térmicas que podem ser aplicadas a dispositivos optoeletrônicos. Emissores de corpo negro baseados em grafeno também são emissores de luz promissores em chips de silício no NIR e na região do infravermelho médio. Contudo, embora emissores de corpo negro à base de grafeno tenham sido demonstrados em condições de estado estacionário ou modulação relativamente lenta (100 kHz), as propriedades transitórias desses emissores sob modulação de alta velocidade não foram relatadas até o momento. Também, comunicações ópticas com emissores baseados em grafeno nunca foram demonstradas.

Aqui, os pesquisadores demonstraram um sistema altamente integrado, emissor de corpo negro de alta velocidade e no chip baseado em grafeno na região NIR, incluindo comprimento de onda de telecomunicação. Um rápido tempo de resposta de ~ 100 picossegundos foi experimentalmente demonstrado para o grafeno de camada única e de poucas camadas. As respostas de emissão podem ser controladas pelo contato do grafeno com o substrato dependendo do número de camadas de grafeno. Os mecanismos de emissão em alta velocidade são elucidados realizando cálculos teóricos das equações de condução de calor considerando o modelo térmico de emissores incluindo grafeno e um substrato.

Os resultados simulados indicam que as propriedades de resposta rápida podem ser compreendidas não apenas pelo transporte térmico clássico de condução de calor no plano em grafeno e dissipação de calor para o substrato, mas também pelo transporte térmico quântico remoto via fônons polares de superfície (SPoPhs) de os substratos. Além disso, a primeira comunicação óptica em tempo real com emissores de luz à base de grafeno foi experimentalmente demonstrada, indicando que os emissores de grafeno são novas fontes de luz para comunicação óptica. Além disso, nós fabricamos emissores de matriz bidimensional integrados com grafeno em grande escala cultivado pelo método de deposição química de vapor (CVD) e emissores protegidos operáveis ​​no ar, e realizou o acoplamento direto de fibras ópticas aos emissores devido à sua pequena pegada e estrutura de dispositivo plana.

Os emissores de luz de grafeno são muito vantajosos sobre os emissores de semicondutores compostos convencionais porque podem ser altamente integrados no chip de silício devido aos processos simples de fabricação de emissores de grafeno e acoplamento direto com guia de onda de silício através de um campo evanescente. Porque o grafeno pode realizar alta velocidade, pequena pegada e emissores de luz em chip de Si, que ainda são desafios para semicondutores compostos, os emissores de luz baseados em grafeno podem abrir novas rotas para optoeletrônica e fotônica de silício altamente integradas.