Gli emettitori di luce ad alta velocità integrati su chip di silicio possono consentire nuove architetture per l'optoelettronica basata sul silicio. Però, gli emettitori di luce basati su semiconduttori composti affrontano grandi sfide per la loro integrazione con una piattaforma a base di silicio a causa della loro difficoltà di fabbricazione diretta su un substrato di silicio. Qui, alta velocità, sono stati sviluppati emettitori di corpo nero su chip di silicio altamente integrati a base di grafene nella regione del vicino infrarosso (NIR), compresa la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni.

Il grafene è un materiale nanocarbonico bidimensionale, avere un'elettronica unica, proprietà ottiche e termiche applicabili ai dispositivi optoelettronici. Gli emettitori di corpo nero a base di grafene sono anche promettenti emettitori di luce su chip di silicio nella regione NIR e nel medio infrarosso. Però, sebbene gli emettitori di corpo nero a base di grafene siano stati dimostrati in condizioni di stato stazionario o modulazione relativamente lenta (100 kHz), le proprietà transitorie di questi emettitori sotto modulazione ad alta velocità non sono state finora segnalate. Anche, comunicazioni ottiche con emettitori a base di grafene non sono mai state dimostrate.

Qui, i ricercatori hanno dimostrato un sistema altamente integrato, emettitore di corpo nero ad alta velocità e su chip basato sul grafene nella regione NIR inclusa la lunghezza d'onda delle telecomunicazioni. Un tempo di risposta rapido di ~ 100 picosecondi è stato dimostrato sperimentalmente per il grafene a strato singolo ea pochi strati. Le risposte di emissione possono essere controllate dal contatto del grafene con il substrato a seconda del numero di strati di grafene. I meccanismi dell'emissione ad alta velocità sono chiariti eseguendo calcoli teorici delle equazioni di conduzione del calore considerando il modello termico degli emettitori che includono il grafene e un substrato.

I risultati simulati indicano che le proprietà di risposta rapida possono essere comprese non solo dal classico trasporto termico della conduzione del calore nel piano nel grafene e dalla dissipazione del calore al substrato, ma anche dal trasporto termico quantistico remoto tramite i fononi polari di superficie (SPoPhs) di i substrati. Inoltre, è stata dimostrata sperimentalmente la prima comunicazione ottica in tempo reale con emettitori di luce a base di grafene, indicando che gli emettitori di grafene sono nuove fonti di luce per la comunicazione ottica. Per di più, abbiamo fabbricato emettitori array bidimensionali integrati con grafene su larga scala cresciuto con il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) ed emettitori con cappuccio operabili in aria, ed effettuato l'accoppiamento diretto delle fibre ottiche agli emettitori grazie al loro ingombro ridotto e alla struttura planare del dispositivo.

Gli emettitori di luce al grafene sono molto vantaggiosi rispetto ai tradizionali emettitori a semiconduttore composto perché possono essere altamente integrati su chip di silicio grazie a semplici processi di fabbricazione degli emettitori di grafene e all'accoppiamento diretto con la guida d'onda di silicio attraverso un campo evanescente. Poiché il grafene può realizzare ad alta velocità, emettitori di luce a ingombro ridotto ed on-Si-chip, che sono ancora sfide per i semiconduttori composti, gli emettitori di luce a base di grafene possono aprire nuove strade all'optoelettronica altamente integrata e alla fotonica del silicio.