Nanoscale wireless optical communication receivers with graphene and carbon nanotube

Abstract

Grafen ve karbon nanotüp, önemli elektronik, optik, mekanik ve termal özellikleri ve fiziksel, kimyasal, biyolojik ve teknolojik bilimlerde artan uygulama alanları ile nanoteknolojinin iki popüler yapı taşıdır. İki boyutlu incecik atomik tabaka karbon levha olan grafen ve onun nanometre ölçekli çaplı nanotüpler biçiminde yuvarlanmış hali olarak karbon nanotüp, önemli elektronik ve optoelektronik özellikleri ile etkili transistör yapıları içinde kullanılmıştır. Tekli ya da çoklu-katman grafen levhalara sahip metal-grafen-metal (MGM) fotodetektörler, uzak kızılötesinden görünür spektruma kadar geniş emme aralığı, hızlı taşıyıcı hızı ve düzlemsel geometri nedeniyle gelişmiş üretim teknikleri sayesinde gelecek nano ölçekli optik haberleşme mimarileri için umut vericidir. Benzer şekilde, karbon nanotüp alan etkili transistörler (KNTAET'ler) geniş spektral bölgesi, ayarlanabilir bant aralığı ve hızlı taşıyıcı hızı nedeniyle önemli fotodetektör performansları göstermektedirler. Her ikisinin de nano ölçekli boyutları ve verimli optoelektronik özellikleri, yeni nesil optik kablosuz iletişim (OKİ) ağ mimarilerinde kullanılma olasılığını açar. Bu tez çalışmasında, tek katman grafen (TKG) ve tek duvarlı nanotüpler (TDNT'ler) temelli nano ölçekli optik kablosuz alıcıların iletişim teorik modelleme ve analizi inşa edilmiştir. Fotodetektörlerin, rezistif ve kapasitif elemanlar ve taşıyıcı hızı nedeniyle olan performans sınırlamaları analiz edilir. Temel iletişim teorik performans ölçütleri, yani sinyal-gürültü oranı (SGO), bit-hata oranı (BHO) ve veri hızı, teorik olarak modellenmiş ve sayısal olarak simüle edilmiştir. TKG ve TDNT için, özgün THz veri iletişim yeteneğinin keşfedilmesiyle birlikte, sırasıyla, yüzlerce Gb/s ve onlarca Mb/s veri hızlarının pratik güç seviyeleri ile sağlanabileceği gösterilmiştir. Fotodetektörlerin termal ve ani atışlı gürültü sınırlı rejimleri değişen iletim güç seviyelerine göre incelenmiştir. Ayrıca, çoklu alıcı grafen detektörler için verimliliği artıran çeşitlilik birleştirme yöntemleri tanıtılmıştır. Dahası, nanotüp ağlar için bilgi yayın ağı, iletim gücü optimizasyonu çerçevesinde tanıtıldı. Grafen ve karbon nanotüp optik alıcıların iletişim teorik modelleme ve performans analizi, yeni nesil nano ölçekli kablosuz optik haberleşme mimarisinin temellerini oluşturmaktadır.

Graphene and carbon nanotube are two popular building blocks of nanotechnology with significant electronic, optical, mechanical and thermal properties and diverse growing application areas in physical, chemical, biological and technological sciences. Graphene as a tiny two-dimensional atomic layer carbon sheet and its rolled version into nanometer scale diameter nanotubes have been used in field effect transistor structures with significant electronic and optoelectronic properties. Metal-graphene-metal (MGM) photodetectors with single or multi-layer graphene sheets are promising for future nanoscale optical communication architectures because of wide range absorption from far infrared to visible spectrum, fast carrier velocity and advanced production techniques due to planar geometry. Similarly, carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) show significant photodetection performances due to wide spectral region, tunable band-gap and fast carrier velocity. Both of the structures with nanoscale dimensions and efficient optoelectronic properties open the possibility to be used in next generation optical wireless communication (OWC) networking architectures. In this thesis, the communication theoretical modeling and analysis of nanoscale optical wireless receivers based on single layer graphene (SLG) and single walled nanotubes (SWNTs) are established.The performance limitations of photodetectors due to their resistive and capacitive elements, and carrier velocity are analyzed. The fundamental communication theoretical performance metrics, i.e., signal-to-noise ratio (SNR), bit-error rate (BER) and data rate, are theoretically modeled and numerically simulated. It is shown that tens of Gb/s and hundreds of Mb/s data rates for SLG and SWNT, respectively, can be achieved with practical power levels where intrinsic THz data range communication capability is explored. Thermal and shot noise limited regimes of the photodetectors are explored with respect to varying transmit power levels. Furthermore, diversity combining methods for multi-receiver graphene detectors are introduced which increase the efficiency of the detectors. Moreover, broadcast information network for nanotube networks are introduced in a transmit power optimization framework. The communication theoretical modeling and performance analysis of graphene and carbon nanotube optical receivers lay the foundations for next generation nanoscale wireless optical communication architectures.