Investigadores de la Universidad de Brown, en colaboración con colegas de Harvard, han desarrollado una nueva forma de controlar la luz de los emisores fosforescentes a velocidades muy altas. La técnica proporciona un nuevo enfoque de modulación que podría ser útil en todo tipo de nanoescala a base de siliciodispositivos, incluidos chips de computadora y otros componentes optoelectrónicos.
"Nuestros resultados demuestran una modulación relativamente rápida de emisores de luz fosforescentes fundamentalmente lentos", dijo Rashid Zia, profesor asociado de ingeniería y física en Brown y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo. "Creemos que esto podría ayudar a que los fósforos sean útiles enuna variedad de nuevos sistemas y configuraciones "
El artículo se publica hoy en Comunicaciones de la naturaleza .
Los fósforos son emisores de luz comunes que se usan en bombillas, LED y otros lugares. Son extremadamente eficientes porque gran parte de la energía bombeada en ellos se convierte en luz en lugar de calor. Pero tienen una vida útil óptica lenta, lo que significa que toma relativamentemucho tiempo para que regresen al estado fundamental después de estar excitados. Como resultado, los fósforos no pueden encenderse y apagarse muy rápidamente. Los juguetes que brillan en la oscuridad, por ejemplo, aprovechan esta propiedad.
Sin embargo, esa propiedad es mala para la modulación óptica, un proceso que a menudo implica encender y apagar la luz para codificar información. Debido a su vida útil lenta, los fósforos tradicionalmente no han sido un iniciador para aplicaciones que requieren modulación de alta velocidad.
Pero en este último trabajo, Zia y sus colaboradores, incluidos los investigadores del grupo Shriram Ramanathan de la Universidad de Harvard, adoptaron un enfoque diferente para la modulación.
"En lugar de cambiar la cantidad de luz que sale, que solo se puede hacer lentamente en los emisores de fósforo, se nos ocurrió un sistema que cambia otra calidad de esa luz, es decir, el color o el espectro de emisión de luz, cambiando rápidamenteentorno alrededor del emisor ", dijo Zia.
El trabajo fue dirigido por Sebastien Cueff, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Zia. Cueff comenzó con un emisor hecho de iones de erbio, un fósforo importante que se usa ampliamente en las redes de telecomunicaciones de fibra óptica. Combinó eso con un material llamado dióxido de vanadioVO2. El VO2 es un material de cambio de fase que, cuando se bombea con energía, cambia muy rápidamente de un estado aislante transparente a un estado metálico reflectante. Este cambio en la reflectividad, a su vez, cambia la forma en que los iones de erbio cercanos emiten luz.El VO2 cambia de fase, las emisiones de erbio pasan de ser generadas principalmente por transiciones dipolares magnéticas el impulso de torsión rotacional y el tirón de las fuerzas magnéticas, a ser generadas principalmente por transiciones dipolo eléctricas el empuje lineal y el tirón de las fuerzas eléctricas.las rutas tienen espectros distintos, y la modulación de un lado a otro entre los dos se puede usar como un medio para codificar información.
Los investigadores demostraron que esta modulación directa de la emisión de luz se podía hacer tan rápido como se podía cambiar la fase de VO2, que es mucho más rápida que la velocidad a la que se puede encender y apagar el erbio. El sistema de prueba utilizado en estos experimentos inicialesmostró que el sistema se podía cambiar tres órdenes de magnitud más rápido que la vida útil óptica del erbio.
"Los emisores fosforescentes se han considerado poco prácticos para aplicaciones de alta velocidad debido a sus vidas intrínsecamente largas", dijo Zia. "Nuestros resultados proporcionan una forma simple de eludir esta limitación y modular su emisión a altas velocidades".
Y eso podría permitir el uso de fósforos en nuevas aplicaciones. Un ejemplo podría ser redes de comunicaciones ópticas en chips de computadora.
Las redes prototipo en chip han utilizado láseres de semiconductores como emisores de luz. Se pueden modular muy rápidamente, pero tienen desventajas. Los semiconductores no se pueden cultivar directamente en un chip de silicio, por lo que la fabricación puede ser difícil. El uso de medios indirectos de modulación -Los interferómetros, por ejemplo, crean sistemas voluminosos que ocupan mucho espacio en un chip. Además, los láseres de semiconductores no son particularmente eficientes. Producen mucho calor junto con la luz, lo cual es un problema en un siliciochip.
El erbio y otros fósforos, por otro lado, se pueden depositar directamente sobre el silicio, lo que facilita la fabricación. Y los fósforos son altamente eficientes, por lo que el calor es menos preocupante. Todavía hay más trabajo por hacer para que dicho sistema funcionea una velocidad que sería útil en un chip, pero Zia y sus colegas piensan que es posible.
En este experimento inicial, los investigadores utilizaron un láser para eliminar el VO2 y hacer que cambie de fase. Un medio más rápido de cambiar la fase de VO2, tal vez usando electricidad en lugar de un láser, podría hacer que el sistema sea aún más rápido.
Zia y su grupo planean continuar refinando la técnica, pero describen este primer conjunto de experimentos como una importante prueba de concepto. "Esperamos ... que el dispositivo y el concepto presentados aquí involucren a investigadores académicos e industriales que trabajansobre optoelectrónica y nanofotónica ", escriben los investigadores.
Otros autores en el documento fueron Dongfang Li Brown, You Zhou Harvard, Franklin J. Wong Harvard, Jonathan A. Kurvits Brown y Shriram Ramanathan Harvard. El trabajo fue apoyado por AirOficina de Investigación Científica de la Fuerza FA9550-10-1-0026 y FA9550-12-1-0189, Oficina de Investigación del Ejército W911NF-14-1-0669, Departamento de Educación P200A090076 y Fundación Nacional de Ciencias EECS-0846466y EECS-1408009.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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