Les performances spectaculaires du graphène pour les transmissions optiques à grande vitesse
Le programme Graphene Flagship est censé faire office de catalyseur pour le développement d’applications innovantes, en rassemblant les universités et l’industrie afin de mettre ce matériau polyvalent à disposition de la société d’ici 10 ans. L’importance de l’intégration du graphène dans la photonique sur silicium apparaissait comme une évidence au regard des résultats obtenus conjointement grâce à la collaboration entre les partenaires du Flagship: AMO GmbH (Allemagne), le Consortium national interuniversitaire pour les télécommunications (CNIT) (Italie), Ericsson (Suède), l’Université de Gand (Belgique), l’Institut des sciences photoniques (ICFO) (Espagne), imec (Belgique), Nokia (Allemagne et Italie), l’Université technique de Vienne (TU Wien) (Autriche) et l’Université de Cambridge (Royaume-Uni). Une merveille monopuce Il a été universellement reconnu que le silicium était adapté à une intégration monolithique pour la photonique. Il n’a toutefois pas été possible, jusqu’à présent, d’augmenter la vitesse ou de réduire la puissance et la place occupée par les composants essentiels de la technologie de la photonique sur silicium. Mais le graphène – avec ses capacités en termes d’émission, de modulation et de détection de signal – est susceptible d’être la prochaine technologie de rupture à y parvenir. «Le graphène constitue une solution tout-en-un pour les technologies optoélectroniques», note Daniel Neumaier, d’AMO GmbH, responsable de la Division du Graphene Flagship intitulée Electronics and Photonics Integration. Ses propriétés optiques ajustables, sa mobilité électrique élevée, son opérabilité sur une large bande spectrale et sa compatibilité avec la photonique sur silicium permettent l’intégration monolithique de modulateurs de phase et d’absorption, de commutateurs ainsi que de photodétecteurs. L’intégration sur une seule puce peut augmenter les performances du périphérique et réduire considérablement son encombrement et son coût de fabrication. Pas entièrement collé sur du silicium La modulation et la détection de la lumière sont des opérations essentielles dans les circuits intégrés photoniques. En l’absence de bande interdite, le graphène rend possible la détection de la lumière sur large bande avec un seul matériau, car ses capacités d’absorption sont uniformes sur une large plage du spectre visible et infrarouge. Le matériau 2D présente également des effets d’électro-absorption et d’électro-réfraction susceptibles d’être utilisés pour une modulation ultra-rapide. Au lieu de s’appuyer sur la technologie onéreuse de la plaquette en silicium sur isolant largement utilisée en photonique sur silicium, les chercheurs du Graphene Flagship ont proposé une configuration plus pratique. Cela a consisté en une paire de couches de graphène monocouche (SLG), un condensateur formé d’un empilement SLG-isolant-SLG au-dessus d’un guide d’onde passif. «Une telle disposition présente plusieurs avantages par rapport aux modulateurs photoniques sur silicium», explique M. Neumaier. Comme il l’explique plus en détail, la fabrication du modulateur ne repose ni sur le matériau du guide d’ondes ni sur les mécanismes de modulation à électro-absorption et à électro-réfraction. En outre, le remplacement des photodétecteurs au germanium par du SLG élimine le besoin d’avoir recours à des modules relativement coûteux en germanium épitaxié et aux processus de dopage spécialisés qui les accompagnent. Le nitrure de silicium (SiN) constituait un bon substrat pour la synthèse du graphène, permettant une mobilité élevée des porteurs, la transparence sur les domaines visible et infrarouge ainsi qu’une compatibilité parfaite avec les technologies du silicium et des semi-conducteurs complémentaires à l’oxyde de métal (CMOS). En tant que plateforme de guide d’ondes passive, le SiN facilite l’intégration du laser et le couplage des fibres au guide d’ondes, rendant ainsi possible la conception de dispositifs miniaturisés. Un avenir prometteur pour la photoélectronique à base de graphène En exploitant le potentiel du graphène, les chercheurs ont démontré avec succès qu’il était possible de transmettre des données avec des composants photoniques en graphène, en atteignant un débit de 50 Gb/s. Un modulateur à base de graphène a traité les données du côté émetteur du réseau, en codant un flux de données électroniques sous forme de signal optique. Du côté du récepteur, un photodétecteur à base de graphène a converti la modulation optique sous forme de signal électronique. «Ces résultats constituent un début prometteur pour l’utilisation de dispositifs photoniques à base de graphène dans les communications de données de nouvelle génération», conclut M. Neumaier.
Pays
Suède