Schneller Lichtdetektor aus zweidimensionalen Materialien

Hochempfindliche Sensoren sowie kleine und schnelle Schalter f¨¹r Licht sind die Herzst¨¹cke der Daten¨¹bertragung ¨¹ber optische Glasfasern. In den letzten Jahren wurden diese Telekommunikations-Bauteile immer weiter verbessert, doch wird es zunehmend schwierig, noch mehr aus ihnen herauszuholen. Dazu braucht es die vereinten Kr?fte verschiedener Spezialisierungen, wie zwei Forschungsgruppen der ETH Z¨¹rich nun gezeigt haben.

Wissenschaftler um die Professoren J¨¹rg Leuthold vom Institut f¨¹r Elektromagnetische Felder und Lukas Novotny vom Institut f¨¹r Photonik haben gemeinsam mit Kollegen des National Institute for Material Science in Tsukuba (Japan) einen ?usserst schnellen und empfindlichen Lichtdetektor entwickelt, der auf dem Zusammenspiel von neuartigen zweidimensionalen Materialien und nanophotonischen Lichtleitern beruht. Ihre Ergebnisse wurden k¨¹rzlich im Fachjournal Nature Nanotechnology ver?ffentlicht.

Zweidimensionale Materialien

?In unserem Detektor wollten wir die Vorteile verschiedener Materialien ausnutzen und deren jeweilige Beschr?nkungen ¨¹berwinden,? erkl?rt Nikolaus Fl?ry, Doktorand in Novotnys Gruppe. ?Das geht am besten, indem man eine Art k¨¹nstliches Kristall ¨C auch Heterostruktur genannt - aus jeweils nur wenige Atome d¨¹nnen Schichten herstellt. Ausserdem interessierte uns, ob der Hype um solche zweidimensionalen Materialien f¨¹r praktische Anwendungen wirklich gerechtfertigt ist. ?

In zweidimensionalen Materialien, wie etwa Graphen, bewegen sich Elektronen nur in einer Ebene anstatt in drei Raumdimensionen. Dadurch ?ndern sich ihre Transporteigenschaften, etwa wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, grundlegend. W?hrend sich allerdings Graphen nur bedingt f¨¹r optische Anwendungen eignet, sind Verbindungen aus ?bergangsmetallen wie Molybd?n oder Wolfram und Chalkogenen wie Schwefel oder Tellur (abgek¨¹rzt als TMDC bezeichnet) sehr lichtempfindlich und lassen sich zudem leicht mit Silizium- Lichtleitern kombinieren.

Zusammenspiel der Ans?tze

Die Expertise f¨¹r die Lichtleiter und Hochgeschwindigkeits-Optoelektronik kam dabei aus der Arbeitsgruppe von J¨¹rg Leuthold. Ping Ma, Senior Scientist der Gruppe, betont, dass es das Zusammenspiel der beiden Ans?tze war, die den neuen Detektor m?glich machten: ?Das Verst?ndnis sowohl der zweidimensionalen Materialien als auch der Wellenleiter, ¨¹ber die das Licht in den Detektor eingespeist wird, war f¨¹r das Gelingen fundamental.

Gemeinsam haben wir erkannt, dass sich zweidimensionale Materialien besonders gut zur Kombination mit Silizium-Lichtleitern eignen. Da haben sich die Spezialisierungen unserer Gruppen perfekt erg?nzt. ? So musste einerseits ein Weg gefunden werden, der die normalerweise recht langsamen TMDC-basierten Detektoren schneller macht. Andererseits musste der Detektor optimal an die Silizium-Strukturen gekoppelt werden, mit denen das Ger?t zum Beispiel an eine Glasfaser angeschlossen wird.

Schnelligkeit durch vertikale Struktur

?Das Problem der Geschwindigkeit haben wir gel?st, indem wir eine vertikale Heterostruktur aus einem TMDC ¨C in unserem Fall Molybd?n-Ditellurid - und Graphen herstellten,? sagt Fl?ry. Anders als in herk?mmlichen Detektoren m¨¹ssen sich dadurch Elektronen, die von eintreffenden Lichtteilchen angeregt werden, nicht erst eine dicke Lage des Materials durchqueren, bis sie gemessen werden k?nnen. Stattdessen sorgt die zweidimensionale TMDC-Schicht daf¨¹r, dass die Elektronen nach oben oder unten in k¨¹rzester Zeit das Material verlassen.

Je schneller das geht, desto gr?sser ist die Bandbreite des Detektors. Diese gibt an, mit welcher Frequenz in Lichtpulsen kodierte Daten empfangen werden k?nnen. ?Wir hatten gehofft, mit unserer neuen Technologie ein paar Gigahertz an Bandbreite zu schaffen ¨C tats?chlich haben wir 50 Gigahertz erreicht,? so Fl?ry. Bislang war mit TMDC-Detektoren weniger als ein Gigahertz Bandbreite m?glich.