Fosforer har egenskaper som gör dem till effektiva ljusemittrar men de är inte optimala för höghastighetskommunikation eftersom switchhastigheten är låg. Forskare från Brown University och Harvard säger sig nu ha hittat ett sätt att modulera ljuset hos fosforkällor som är tre i storleksordningen snabbare och som skulle kunna vara användbara i en rad nya optoelektroniska tillämpningar.

Bild: Zia Lab/Brown University

Forskare från Brown University har, i samarbete med kollegor från Harvard, utvecklat ett nytt sätt att styra ljuset från fosforescerande sändare vid höga hastigheter. Moduleringstekniken kan enligt forskarna vara användbar i alla typer av kiselbaserade kretsar, inklusive datachips och andra optoelektroniska komponenter.

I många prototypchip i kisel används lasrar som ljusalstrare. Dessa är dock ofta skrymmande, vilket gör dem svårare att integrera, och alstrar dessutom relativt mycket värme, vilket medför problem tillsammans med ett kiselchip. En annan begränsning är att de inte heller kan växas direkt på kisel, vilket gör dem svårare att tillverka.

Fosforer (icke att förväxlas med grundämnet forfor) är å andra sidan extremt effektiva eftersom en stor del av den energi som pumpas in materialet omvandlas till ljus och inte värme. De kan också avsättas direkt på kisel. Men de har en långsam optisk livstid, vilket betyder att det tar relativt lång tid för dem att återgå till grundtillståndet efter att ha hettats upp. Som ett resultat av det kan fosforer inte slås på och av speciellt snabbt.

– Våra resultat uppvisar en relativt snabb modulering hos de i grunden långsamma, fosforescerande ljusemittrarna. Vi tror att detta kan bidra till att göra fosforer användbara i en mängd nya system, säger Rashid Zia, docent i teknik och fysik vid Brown och huvudansvarig för ett nytt papper som nyligen publicerats i Nature Communications.

Zia och hans medarbetare, inklusive forskare från Shriram Ramanathans grupp vid Harvard University, valde en annan sätt att modulera ljuset.

– I stället för att ändra hur mycket ljus som emitteras, vilket endast kan ske långsamt i fosforsändare, kom vi fram till ett system som förändrar en annan kvalitet på ljuset, nämligen ljusemissionens färg eller spektra genom att snabbt ändra miljön runt sändaren, säger Zia.

Arbetet leddes av Sébastien Cueff, en postdoktor vid Zias labb. Cueff började med en emitter gjord av erbiumjoner som ofta används i fiberoptiska telekommunikationsnät. Han kombinerade det med ett material som kallas Vanodinkoldioxid (VO₂). VO₂ är ett fasväxlande material som, när det pumpas med energi, förändras mycket snabbt från ett transparent isolerande tillstånd till ett reflekterande metalliskt tillstånd. Den här förändringen i reflektionsförmåga, i sin tur, förändrar hur närliggande erbiumjoner emitterar ljuset. När VO₂ ändrar fasen förändras erbiumemitteringen från att genereras främst av magnetiska dipolövergångar till elektriska dipolövergångar. Dessa två ”emitteringsbanor” har distinkta spektra och moduleringen fram och tillbaka mellan de två kan användas som ett sätt att koda information.

Forskarna visade att denna direktmodulering av ljuset kan göras lika snabbt som VO₂-fasen ändras, vilket är mycket snabbare än den hastighet med vilken erbium kan slås på och av. Det testsystem som användes i dessa initiala experiment visade enligt forskarna att systemet kan bli tre storleksordningar snabbare än för erbium.

Och det kan möjliggöra användning av fosforer i nya applikationer. Ett exempel skulle kunna vara optiska kommunikationsnät på datorchips. Det finns fortfarande mer arbete att göras för att höja hastigheten hus ett sådant system på ett chip, men Zia och hans kollegor tror att det är möjligt. I detta första experiment har forskarna nämligen använt en laser för att ”zappa till” Vanodinkoldioxidet och få det att ändra fas. Ett snabbare sätt att förändra VO2 fasen – kanske med el istället för en laser – skulle kunna göra systemet mycket snabbare än nu.

Zia och hans grupp planerar att fortsätta förfina tekniken och beskriver denna första uppsättning experiment som ett viktigt ”proof of concept”.

"Vi hoppas att den enhet och koncept som presenterats kommer att engagera både akademiska och industriella forskare som arbetar med optoelektronik och nanofotonik”, skriver forskarna avslutningsvis i ett pressmeddelande.

Experimentella data som jämför traditionell livstid (överst) med en ny moduleringsstrategi (nedan). Medan kurvorna kan se snarlika ut är tidsskalorna markant olika. Livslängdskurvan är plottad i millisekunder, medan den observerade modulationen plottas i mikrosekunder.

Länk till artikeln i Nature Communications.

Filed under: Utländsk Teknik