(Phys.org)—Het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een nieuw instrument op chipschaal gedemonstreerd, gemaakt van koolstofnanobuisjes, dat absolute metingen van laservermogen kan vereenvoudigen. met name de lichtsignalen die worden uitgezonden door optische vezels in telecommunicatienetwerken.

Het prototype apparaat, een miniatuurversie van een instrument dat een cryogene radiometer wordt genoemd, is een siliciumchip met daarop ronde matten van koolstofnanobuisjes die overeind staan. De mini-radiometer bouwt voort op het eerdere werk van NIST met behulp van nanobuisjes, 's werelds donkerste bekende stof, om een ​​ultra-efficiënte, hoogst nauwkeurige optische machtsdetector, en verbetert de mogelijkheid van NIST om laservermogen te meten dat via glasvezel wordt geleverd voor kalibratieklanten.

"Dit is ons spel voor leiderschap in laservermogensmetingen, " zegt projectleider John Lehman. "Dit is misschien wel het coolste wat we met koolstofnanobuisjes hebben gedaan. Ze zijn niet alleen zwart, maar ze hebben ook de temperatuureigenschappen die nodig zijn om componenten zoals elektrische verwarmingen echt multifunctioneel te maken."

NIST en andere nationale metrologische instituten over de hele wereld meten het laservermogen door het te herleiden tot fundamentele elektrische eenheden. Radiometers absorberen energie uit licht en zetten deze om in warmte. Vervolgens wordt het elektrische vermogen gemeten dat nodig is om dezelfde temperatuurstijging te veroorzaken. NIST-onderzoekers ontdekten dat de mini-radiometer zowel het laservermogen (aangebracht door een optische vezel) als het equivalente elektrische vermogen nauwkeurig meet binnen de beperkingen van de onvolmaakte experimentele opstelling. De tests werden uitgevoerd bij een temperatuur van 3,9 K, met licht op de telecomgolflengte van 1550 nanometer.

De kleine cirkelvormige bossen van hoge, dunne nanobuisjes genaamd VANTA's ("verticaal uitgelijnde nanobuisarrays") hebben verschillende gewenste eigenschappen. Het belangrijkste is, ze absorberen gelijkmatig licht over een breed scala aan golflengten en hun elektrische weerstand is temperatuurafhankelijk. De veelzijdige nanobuisjes vervullen drie verschillende functies in de radiometer. Eén VANTA-mat dient zowel als lichtabsorbeerder als als elektrische verwarming, en een tweede VANTA-mat dient als thermistor (een onderdeel waarvan de elektrische weerstand varieert met de temperatuur). De VANTA-matten worden gekweekt op de microbewerkte siliciumchip, een instrumentontwerp dat gemakkelijk te wijzigen en te dupliceren is. In deze toepassing, de afzonderlijke nanobuisjes zijn ongeveer 10 nanometer in diameter en 150 micrometer lang.

Daarentegen, gewone cryogene radiometers gebruiken meer soorten materialen en zijn moeilijker te maken. Ze worden meestal met de hand geassembleerd met behulp van een holte die is geverfd met koolstof als lichtabsorbeerder, een elektrische draad als verwarming, en een halfgeleider als thermistor. Verder, deze instrumenten moeten uitgebreid worden gemodelleerd en gekarakteriseerd om hun gevoeligheid aan te passen, terwijl het equivalente vermogen in de mini-radiometer van NIST gemakkelijk in het silicium kan worden gemodelleerd.

NIST is van plan om patent aan te vragen op de chip-scale radiometer. Verwacht wordt dat eenvoudige veranderingen zoals verbeterde temperatuurstabiliteit de prestaties van het apparaat aanzienlijk zullen verbeteren. Toekomstig onderzoek kan ook gericht zijn op het uitbreiden van het laservermogensbereik naar het verre infrarood, en integratie van de radiometer in een potentieel multifunctioneel "NIST op een chip"-apparaat.