17.02.2020 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Un rápido detector de luz hecho de materiales bidimensionales

Tecnología con múltiples posibilidades

Dos grupos de investigación del ETH de Zurich han unido sus fuerzas para desarrollar un novedoso detector de luz. Consiste en capas bidimensionales de diferentes materiales que están acopladas a una guía de ondas ópticas de silicio. En el futuro, este enfoque también puede utilizarse para fabricar LED y moduladores ópticos.

Los moduladores rápidos y altamente eficientes, así como los detectores de luz son los componentes centrales de la transmisión de datos a través de cables de fibra óptica. En los últimos años, los elementos básicos de las telecomunicaciones basados en los materiales ópticos existentes se han mejorado constantemente, pero ahora es cada vez más difícil lograr nuevas mejoras. Eso requiere las fuerzas combinadas de diferentes especializaciones, como han demostrado dos grupos de investigación de la ETH de Zurich.

Un grupo de científicos dirigidos por los profesores Jürg Leuthold del Instituto de Campos Electromagnéticos y Lukas Novotny del Instituto de Fotónica, junto con colegas del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales en Tsukuba (Japón), han desarrollado un detector de luz extremadamente rápido y sensible basado en la interacción entre los nuevos materiales bidimensionales y las guías de ondas ópticas nanofotónicas.

Materiales bidimensionales

"En nuestro detector queríamos explotar las ventajas de los diferentes materiales superando sus limitaciones individuales", explica Nikolaus Flöry, un estudiante de doctorado del grupo de Novotny. "La mejor manera de hacerlo es fabricar una especie de cristal artificial - también conocido como heteroestructura - a partir de diferentes capas que son cada una sólo unos pocos átomos de espesor. Además, nos interesaba saber si todo el rumor sobre estos materiales bidimensionales para aplicaciones prácticas está realmente justificado".

En los materiales bidimensionales, como el grafeno, los electrones sólo se mueven en un plano en lugar de tres dimensiones espaciales. Esto altera profundamente sus propiedades de transporte, por ejemplo cuando se aplica un voltaje eléctrico. Si bien el grafeno no es la opción ideal para las aplicaciones ópticas, los compuestos de metales de transición como el molibdeno o el tungsteno y los calcogenes como el azufre o el telurio (abreviado como TMDC) son altamente fotosensibles y, además, pueden combinarse fácilmente con guías de ondas ópticas de silicio.

Interacción de diferentes enfoques

La experiencia para las guías de onda y la optoelectrónica de alta velocidad vino del grupo de investigación de Jürg Leuthold. Ping Ma, el científico principal del grupo, subraya que fue la interacción entre los dos enfoques lo que hizo posible el nuevo detector: "Comprender tanto los materiales bidimensionales como las guías de ondas a través de las cuales la luz se introduce en el detector fue de fundamental importancia para nuestro éxito. Juntos, nos dimos cuenta de que los materiales bidimensionales son particularmente adecuados para ser combinados con guías de ondas de silicio. Las especializaciones de nuestros grupos se complementaron perfectamente".

Los investigadores tuvieron que encontrar una forma de hacer más rápidos los normalmente bastante lentos detectores basados en la TMDC. Por otro lado, el detector debía acoplarse de forma óptima a las estructuras de silicio utilizadas como interfaz sin sacrificar su rendimiento de alta velocidad.

La velocidad a través de la estructura vertical

"Resolvimos el problema de la velocidad realizando una heteroestructura vertical hecha de un TMDC - ditelururo de molibdeno en nuestro caso - y grafeno", dice Flöry. A diferencia de los detectores convencionales, de esa manera los electrones excitados por las partículas de luz entrantes no necesitan abrirse camino primero a través del grueso del material antes de ser medidos. En cambio, la capa bidimensional de la TMDC asegura que los electrones puedan salir del material en un tiempo muy corto, ya sea hacia arriba o hacia abajo.

Cuanto más rápido se vayan, mayor será el ancho de banda del detector. El ancho de banda indica a qué frecuencia se pueden recibir los datos codificados en pulsos de luz. "Esperábamos conseguir unos pocos Gigahertz de ancho de banda con nuestra nueva tecnología - al final, llegamos a 50 Gigahertz", dice Flöry. Hasta ahora, anchos de banda de menos de un Gigahertz eran posibles con detectores basados en TMDC.

El acoplamiento óptimo de la luz, por otra parte, se logró integrando el detector en una guía de ondas ópticas nanofotónicas. Una llamada onda evanescente, que sobresale lateralmente de la guía de onda, alimenta los fotones a través de una capa de grafeno (que tiene una baja resistencia eléctrica) en la capa de molibdeno-ditelururo de la heteroestructura.

Allí, excitan electrones que eventualmente son detectados como una corriente. El diseño de la guía de ondas integrada asegura que se absorba suficiente luz en ese proceso.

Tecnología con múltiples posibilidades

Los investigadores del ETH están convencidos de que con esta combinación de guías de onda y heteroestructuras pueden hacer no sólo detectores de luz, sino también otros elementos ópticos como moduladores de luz, LEDs y láseres. "Las posibilidades son casi ilimitadas", Flöry y Ma se entusiasman con su descubrimiento. "Acabamos de elegir el fotodetector como un ejemplo de lo que se puede hacer con esta tecnología."

En un futuro próximo, los científicos quieren utilizar sus descubrimientos e investigar otros materiales bidimensionales. Se conocen alrededor de cien hasta la fecha, lo que da innumerables combinaciones posibles para nuevas heteroestructuras. Además, quieren explotar otros efectos físicos, como los plasmones, para mejorar aún más el rendimiento de su dispositivo.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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