Zusammenspiel der Ansätze

Die Expertise für die Lichtleiter und Hochgeschwindigkeits-​Optoelektronik kam dabei aus der Arbeitsgruppe von Jürg Leuthold. Ping Ma, Senior Scientist der Gruppe, betont, dass es das Zusammenspiel der beiden Ansätze war, die den neuen Detektor möglich machten: «Das Verständnis sowohl der zweidimensionalen Materialien als auch der Wellenleiter, über die das Licht in den Detektor eingespeist wird, war für 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 ergänzt.» 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 Gerät zum Beispiel an eine Glasfaser angeschlossen wird.

«Das Problem der Geschwindigkeit haben wir gelöst, indem wir eine vertikale Heterostruktur aus einem TMDC – in unserem Fall Molybdän-​Ditellurid - und Graphen herstellten,» sagt Flöry. Anders als in herkömmlichen Detektoren müssen sich dadurch Elektronen, die von eintreffenden Lichtteilchen angeregt werden, nicht erst eine dicke Lage des Materials durchqueren, bis sie gemessen werden können. Stattdessen sorgt die zweidimensionale TMDC-​Schicht dafür, dass die Elektronen nach oben oder unten in kürzester Zeit das Material verlassen.

Je schneller das geht, desto grösser ist die Bandbreite des Detektors. Diese gibt an, mit welcher Frequenz in Lichtpulsen kodierte Daten empfangen werden können. «Wir hatten gehofft, mit unserer neuen Technologie ein paar Gigahertz an Bandbreite zu schaffen – tatsächlich haben wir 50 Gigahertz erreicht,» so Flöry. Bislang war mit TMDC-​Detektoren weniger als ein Gigahertz Bandbreite möglich.

Die optimale Kopplung des Lichts wiederum wurde durch eine direkte Integration des Detektors in einen nanophotonischen Lichtleiter erreicht. Eine so genannte evaneszente Welle, die seitlich aus dem Lichtleiter austritt, speist die Photonen durch eine Schicht aus Graphen (die für einen niedrigen elektrischen Widerstand sorgt) in die Molybdän-​Ditellurid-Schicht der Heterosktruktur.

Dort regen sie dann Elektronen an, die schliesslich als Strom nachgewiesen werden. Das integrierte Design des Wellenleiters sorgt dafür, dass bei diesem Vorgang genug Licht absorbiert wird.

Die ETH-​Forscher sind überzeugt, dass sich mit dieser Kombination aus Wellenleitern und Heterostrukturen nicht nur Lichtdetektoren herstellen lassen, sondern auch andere optische Bauteile wie etwa Lichtmodulatoren, Leuchtdioden und Laser. «Die Möglichkeiten sind da fast unbegrenzt,» schwärmen Flöry und Ma. «Mit dem Detektor haben wir uns nur ein Beispiel davon herausgegriffen, was man mit dieser Technologie alles machen kann.»

In naher Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse nutzen und weitere zweidimensionale Materialien erforschen. Etwa hundert solcher Materialien sind derzeit bekannt, woraus sich zahllose Kombinationsmöglichkeiten für neuartige Heterostrukturen ergeben. Zudem wollen sie weitere physikalische Effekte, wie zum Beispiel Plasmonen, ausnutzen, um damit eine weitere Leistungsverbesserung zu erzielen.

Dieser Artikel ist zunächst auf ETH News erschienen.