Photodetektor aus Graphen zeigt beispiellose Geschwindigkeit
Die optische Datenkommunikation erfordert immer schnellere Geräte. Wissenschaftler:innen des Instituts für Elektromagnetische Felder (IEF) haben den bisher schnellsten Photodetektor der Welt entwickelt. Die Kombination von Metamaterialien und Graphen hat zu einer rekordverdächtigen Bandbreite von über 500 GHz geführt. Diese Geräte könnten den Weg für die nächste Generation von Photodetektoren mit höchster Geschwindigkeit ebnen.
Die Erkennung von Licht ist für viele Anwendungen unerlässlich. Während die Erkennung von sichtbarem Licht z. B. in Kameras weit verbreitet ist, ist die Erkennung von Infrarotlicht nicht so offensichtlich. Dennoch sind viele Systeme im täglichen Leben auf genau diese Erkennung angewiesen. Eines der bekanntesten Beispiele ist die Verteilung des Internets mit Hilfe von Glasfasern, die Infrarotlicht übertragen. Da die Nachfrage nach immer höheren Datenübertragungsraten steigt, müssen die Infrarot-Fotodetektoren mit der Geschwindigkeit Schritt halten.
Graphen als Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Photodetektor-Material
Graphen ist ein vielversprechender Materialkandidat für die nächste Generation von Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Fotodetektoren. Dem zweidimensionalen Kohlenstoffmaterial wurde schon früh vorhergesagt, dass es extrem schnelle Reaktionen ermöglicht (für seine Entdeckung wurde ein Nobelpreis verliehen). Wissenschaftler der ETH Zürich haben nun einen funktionstüchtigen Photodetektor mit einer noch nie dagewesenen Frequenzbandbreite von >500 GHz demonstriert - und damit die bisherigen Rekorddemonstrationen um das Vierfache übertroffen.
Überwindung der geringen Absorption
Die zweidimensionale Beschaffenheit von Graphen bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Das geringe Volumen begrenzt die Licht-Materie-Wechselwirkung und Graphen ist daher kein effizienter Absorber. «Wir haben der geringen Absorption entgegengewirkt, indem wir das Graphen in eine Metamaterialstruktur integriert haben», erklärt Stefan Köpfli, Hauptautor des Artikels und Doktorand unter der Leitung von Professor Jürg Leuthold am D-ITET.
Das Metamaterial ermöglicht nicht nur eine verbesserte Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern wurde auch so konstruiert, dass die Reaktion auf höchste Geschwindigkeit optimiert wird. Durch Veränderung der Abmessungen des Metamaterials konnte die Gruppe zudem zeigen, dass der Detektor für den Betrieb bei anderen Infrarot-Wellenlängen abgestimmt werden kann.
Auf dem Weg zum idealen Photodetektor
Während die hohe Geschwindigkeit und die Möglichkeit, das Gerät auf einen großen Infrarotspektralbereich abzustimmen, sehr gefragte Eigenschaften eines Fotodetektors sind, bietet der Detektor noch weitere Vorteile. Graphen ist ein kostengünstiges Material und lässt sich potenziell in aktuelle CMOS-Fertigungstechnologien integrieren. Darüber hinaus kann er auf jedem Substrat hergestellt werden, da Graphen auf einer Vielzahl von Oberflächen aufgebracht werden kann. All dies macht den Detektor zu einem idealen Produkt für eine kostengünstige Herstellung. Außerdem ist der Detektor kompakt. Im Gegensatz zu vielen anderen Hochgeschwindigkeitsdetektoren kann er direkt beleuchtet werden und benötigt keine zusätzliche Stellfläche für Zugangswellenleiter. Und schließlich ist der Stromverbrauch gering, da das Gerät passiv betrieben werden kann.
Während viele Eigenschaften bereits ihr Ziel erreichen, hinkt die Empfindlichkeit des Geräts noch hinterher. «Im Moment wäre eine höhere Empfindlichkeit sehr wünschenswert», sagt Stefan Köpfli. «Die Qualität des Graphen-Materials hält uns noch zurück, aber wir haben auch einige zusätzliche Wege identifiziert, um die Leistung des Detektors zu steigern.» Das künftige Ziel ist es, eine dicht integrierte Anordnung dieser Bauelemente mit noch besseren Leistungsmerkmalen zu zeigen.