«Наши результаты демонстрируют относительно быструю модуляцию от принципиально медленных фосфоресцентных излучателей света», – сказал Рашид Зия, доцент кафедры инженерии и физики Брауна и старший автор новой статьи, описывающей работу. "Мы думаем, что это может помочь сделать люминофоры полезными в различных новых системах и условиях."
Статья опубликована сегодня в Nature Communications.
Люминофоры – распространенные излучатели света, используемые в лампах, светодиодах и других местах.
Они чрезвычайно эффективны, потому что большая часть закачиваемой в них энергии преобразуется в свет, а не в тепло. Но у них медленное оптическое время жизни, а это означает, что им требуется относительно много времени, чтобы вернуться в основное состояние после возбуждения. В результате люминофоры нельзя включать и выключать очень быстро. Этим свойством обладают, например, светящиеся в темноте игрушки.
Однако это свойство плохо для оптической модуляции, процесса, который часто включает включение и выключение света для кодирования информации. Из-за их длительного срока службы люминофоры традиционно не использовались для приложений, требующих высокоскоростной модуляции.
Но в этой последней работе Зия и его сотрудники, включая исследователей из группы Шрирама Раманатана в Гарвардском университете, использовали другой подход к модуляции.
«Вместо того, чтобы изменять количество испускаемого света, что можно сделать только медленно в люминофорных излучателях, мы придумали систему, которая изменяет другое качество этого света, а именно цвет или спектр излучения света, путем быстрого изменения окружающей среды вокруг. эмиттер ", – сказала Зия.
Работой руководил Себастьян Куэфф, научный сотрудник лаборатории Зии. Кьюфф начал с эмиттера из ионов эрбия, важного люминофора, который широко используется в оптоволоконных телекоммуникационных сетях. Он объединил это с материалом под названием диоксид ванадия (VO2). VO2 – это материал с фазовым переходом, который при подаче энергии очень быстро переходит из прозрачного изолирующего состояния в отражающее металлическое состояние.
Это изменение отражательной способности, в свою очередь, переключает то, как расположенные поблизости ионы эрбия излучают свет. По мере того как VO2 меняет фазу, выбросы эрбия превращаются из генерируемых в основном магнитных дипольных переходов (вращающий момент, толкающий и притягивающий магнитные силы) к генерированию, главным образом, за счет электрических дипольных переходов (линейное толкание и притяжение электрических сил).
Эти два пути излучения имеют разные спектры, и модуляция между ними может использоваться как средство кодирования информации.
Исследователи показали, что эту прямую модуляцию излучения света можно осуществить так же быстро, как можно было бы изменить фазу VO2, что намного быстрее, чем скорость, с которой можно включать и выключать эрбий. Испытательная система, использованная в этих начальных экспериментах, показала, что система может переключаться на три порядка быстрее, чем оптическое время жизни эрбия.
«Фосфоресцентные излучатели считались непрактичными для высокоскоростных приложений из-за их изначально длительного срока службы», – сказал Зия. "Наши результаты предоставляют простой способ обойти это ограничение и модулировать их выбросы на высоких скоростях."
И это может позволить использовать люминофор в новых приложениях.
Одним из примеров могут быть оптические сети связи на компьютерных микросхемах.
Прототипы внутрикристальных сетей использовали полупроводниковые лазеры в качестве излучателей света.
Они могут очень быстро модулироваться, но у них есть недостатки. Полупроводники нельзя выращивать непосредственно на кремниевом кристалле, поэтому изготовление может быть затруднено.
Использование косвенных средств модуляции – например, интерферометров – делает системы громоздкими, занимая много места на кристалле. Более того, полупроводниковые лазеры не особенно эффективны. Вместе со светом они выделяют много тепла, что является проблемой для кремниевого чипа.
С другой стороны, эрбий и другие люминофоры можно наносить непосредственно на кремний, что упрощает производство.
Люминофор очень эффективен, поэтому тепло не беспокоит. Еще предстоит проделать большую работу, чтобы довести такую систему до скорости, которая была бы полезна на чипе, но Зия и его коллеги думают, что это возможно.
В этом первоначальном эксперименте исследователи использовали лазер, чтобы убрать VO2 и заставить его изменить фазу. Более быстрый способ изменения фазы VO2 – возможно, с использованием электричества вместо лазера – может сделать систему еще быстрее.
Зия и его группа планируют продолжать совершенствовать эту технику, но они описывают эту первую серию экспериментов как важное доказательство концепции. "Мы … надеюсь, что представленные здесь устройство и концепция заинтересуют как академических, так и промышленных исследователей, работающих в области оптоэлектроники и нанофотоники », – пишут исследователи.
Другими авторами статьи были Дунфан Ли (Браун), Ю Чжоу (Гарвард), Франклин Дж. Вонг (Гарвард), Джонатан А. Курвиц (Браун) и Шрирам Раманатан (Гарвард).
Работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС (FA9550-10-1-0026 и FA9550-12-1-0189), Управлением исследований армии (W911NF-14-1-0669), Министерством образования (P200A090076) и Национальный научный фонд (EECS-0846466 и EECS-1408009).