[論文レビュー] Ultrafast Graphene Light Emitter

Young Duck Kim, Yuanda Gao+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超高速キャリアダイナミクスと弱い電子-格子結合のおかげで、可視光から近赤外域にわたり最大10 GHzの変調帯域幅を達成する電気駆動型超高速グラフェン光源を示している。ヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）によるカプセル化により、局所的光学状態密度を変更することで発光が最大460%向上し、大気中条件下で2,000 Kの安定的で明るい可視光放射が実現された。

ABSTRACT

Ultrafast electrically driven nanoscale light sources are critical components in nanophotonics. Compound semiconductor-based light sources for the nanophotonic platforms have been extensively investigated over the past decades. However, monolithic ultrafast light sources with a small footprint remain a challenge. Here, we demonstrate electrically driven ultrafast graphene light emitters that achieve light pulse generation with up to 10 GHz bandwidth, across a broad spectral range from the visible to the near-infrared. The fast response results from ultrafast charge carrier dynamics in graphene, and weak electron-acoustic phonon-mediated coupling between the electronic and lattice degrees of freedom. We also find that encapsulating graphene with hexagonal boron nitride (hBN) layers strongly modifies the emission spectrum by changing the local optical density of states, thus providing up to 460 % enhancement compared to the grey-body thermal radiation for a broad peak centered at 720 nm. Furthermore, the hBN encapsulation layers permit stable and bright visible thermal radiation with electronic temperatures up to 2,000 K under ambient conditions, as well as efficient ultrafast electronic cooling via near-field coupling to hybrid polaritonic modes. These high-speed graphene light emitters provide a promising path for on-chip light sources for optical communications and other optoelectronic applications.

研究の動機と目的

• オンチップ光子統合向けにコンactで電気駆動可能なナノスケール光源の開発を目的とする。
• 半導体化合物がモノリシックで超高速かつ小型の光源を実現する上で抱える制限を克服することを目的とする。
• グラフェンの超高速キャリアダイナミクスを活用し、高帯域幅の光放出を実現することを目的とする。
• ヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）カプセル化による発光スペクトルの工学的制御を通じて、光抽出効率と安定性の向上を図ることを目的とする。

提案手法

• 剥離法で得たグラフェンをhBN基板上にフォーマットした電気駆動型グラフェン光デバイスをプロセスした。
• グラフェンの超高速キャリアダイナミクスを活用し、1ピコ秒未塔の応答時間と高い変調帯域幅を達成した。
• hBNカプセル化により局所的光学状態密度が変化し、光子工学的手法によって発光が強化された。
• ハイブリッド極子モードへの近場結合により、効率的な電子冷却と熱的安定性が実現された。
• 広帯域スペクトロスコピーを用いて、可視光から近赤外域にわたる発光スペクトルを測定した。
• 制御された電気注入により、大気中条件下で電子温度が最大2,000 Kに達し、その状態を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンベースの光源は、高速光通信に適した超高速変調帯域幅を達成できるか？
• RQ2 hBNカプセル化は、グラフェン光源の発光スペクトルと効率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 大気中条件下で、グラフェンは劣化を伴わずにどの程度の高電子温度を維持できるか？
• RQ4 極子モードへの近場結合は、効率的な冷却を可能とし、発光強度を向上させられるか？
• RQ5 hBNを用いた光子工学的手法により、グラフェンにおける最大発光強度増幅はどの程度達成可能か？

主な発見

• グラフェン光源は最大10 GHzの変調帯域幅を達成し、超高速光信号伝送を可能にした。
• 発光スペクトルは可視光から近赤外域にわたり、400–1000 nmをカバーした。
• hBNカプセル化により、グレー体熱放射と比較して発光強度が最大460%向上した。
• 局所的光学状態密度の変更に起因する720 nm中心の広帯域発光ピークが観測された。
• 大気中条件下で、電子温度が最大2,000 Kに達する間も、安定的で明るい可視光熱放射が維持された。
• ハイブリッド極子モードへの近場結合により、効率的な電子冷却が実現され、デバイスの安定性と性能が向上した。