Hogesnelheidslichtzenders die op siliciumchips zijn geïntegreerd, kunnen nieuwe architecturen voor op silicium gebaseerde opto-elektronica mogelijk maken. Echter, op samengestelde halfgeleiders gebaseerde lichtemitters worden geconfronteerd met grote uitdagingen voor hun integratie met een op silicium gebaseerd platform vanwege hun moeilijkheid om rechtstreeks op een siliciumsubstraat te vervaardigen. Hier, hoge snelheid, sterk geïntegreerde, op grafeen gebaseerde on-silicium-chip blackbody-emitters in het nabij-infrarood (NIR) gebied, inclusief telecommunicatiegolflengte, werden ontwikkeld.

Grafeen is een tweedimensionaal nanokoolstofmateriaal, met unieke elektronische, optische en thermische eigenschappen die kunnen worden toegepast voor opto-elektronische apparaten. Op grafeen gebaseerde blackbody-stralers zijn ook veelbelovende lichtemitters op siliciumchips in NIR en midden-infraroodgebied. Echter, hoewel op grafeen gebaseerde blackbody-emitters zijn aangetoond onder stabiele omstandigheden of relatief langzame modulatie (100 kHz), de voorbijgaande eigenschappen van deze emitters onder hogesnelheidsmodulatie zijn tot op heden niet gerapporteerd. Ook, optische communicatie met op grafeen gebaseerde emitters is nooit aangetoond.

Hier, toonden de onderzoekers een sterk geïntegreerde, high-speed en on-chip blackbody-emitter op basis van grafeen in NIR-regio inclusief telecommunicatiegolflengte. Een snelle responstijd van ~ 100 picoseconden is experimenteel aangetoond voor enkellaags en enkele laags grafeen. De emissiereacties kunnen worden gecontroleerd door het grafeencontact met het substraat, afhankelijk van het aantal grafeenlagen. De mechanismen van de hogesnelheidsemissie worden opgehelderd door theoretische berekeningen uit te voeren van de warmtegeleidingsvergelijkingen, rekening houdend met het thermische model van emitters, waaronder grafeen en een substraat.

De gesimuleerde resultaten geven aan dat de snelle responseigenschappen niet alleen kunnen worden begrepen door het klassieke thermische transport van warmtegeleiding in het vlak in grafeen en warmtedissipatie naar het substraat, maar ook door het externe kwantumthermische transport via de oppervlaktepolaire fononen (SPoPhs) van de substraten. In aanvulling, de eerste real-time optische communicatie met op grafeen gebaseerde lichtzenders werd experimenteel aangetoond, wat aangeeft dat grafeenstralers nieuwe lichtbronnen zijn voor optische communicatie. Verder, we hebben geïntegreerde tweedimensionale array-emitters gefabriceerd met grootschalige grafeen die is gegroeid door middel van chemische dampafzetting (CVD) en afgedekte emitters die in de lucht kunnen worden gebruikt, en voerde de directe koppeling van optische vezels naar de emitters uit vanwege hun kleine voetafdruk en vlakke apparaatstructuur.

Grafeenlichtzenders zijn enorm voordelig ten opzichte van conventionele samengestelde halfgeleiderzenders omdat ze sterk kunnen worden geïntegreerd op een siliciumchip dankzij eenvoudige fabricageprocessen van grafeenemitters en directe koppeling met siliciumgolfgeleider via een verdwijnend veld. Omdat grafeen hoge snelheid kan realiseren, kleine voetafdruk en on-Si-chip lichtzenders, die nog steeds een uitdaging zijn voor samengestelde halfgeleiders, de op grafeen gebaseerde lichtzenders kunnen nieuwe routes openen naar sterk geïntegreerde opto-elektronica en siliciumfotonica.