Ceci est une illustration schématique du modulateur optique à base de graphène. Une couche de graphène (résille noire) est placée au-dessus d'un guide d'ondes en silicium (bleu), qui est utilisé comme fibre optique pour guider la lumière. Des signaux électriques sont envoyés du côté du graphène pour modifier la quantité de photons absorbés par le graphène. Crédit :graphique de Ming Liu, UC Berkeley
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley, ont démontré une nouvelle technologie pour le graphène qui pourrait dépasser les limites de vitesse actuelles dans les communications numériques.
L'équipe de chercheurs, dirigé par Xiang Zhang, professeur d'ingénierie à l'UC Berkeley, construit un petit appareil optique qui utilise du graphène, une couche d'un atome d'épaisseur de carbone cristallisé, pour allumer et éteindre la lumière. Cette capacité de commutation est la caractéristique fondamentale d'un modulateur de réseau, qui contrôle la vitesse à laquelle les paquets de données sont transmis. Plus les impulsions de données sont envoyées rapidement, plus le volume d'informations pouvant être envoyé est important. Les modulateurs à base de graphène pourraient bientôt permettre aux consommateurs de diffuser en continu, haute définition, Films 3D sur un smartphone en quelques secondes, les chercheurs ont dit.
"C'est le plus petit modulateur optique au monde, et le modulateur dans les communications de données est le cœur du contrôle de vitesse, " dit Zhang, qui dirige un centre de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique de la National Science Foundation (NSF) à l'UC Berkeley. « Le graphène nous permet de fabriquer des modulateurs incroyablement compacts et qui fonctionnent potentiellement à des vitesses jusqu'à dix fois plus rapides que ce que permet la technologie actuelle. Cette nouvelle technologie améliorera considérablement nos capacités en communication optique et informatique ultrarapides.
Dans ce dernier ouvrage, décrit dans la publication en ligne avancée du 8 mai de la revue La nature , les chercheurs ont pu régler électriquement le graphène pour absorber la lumière dans les longueurs d'onde utilisées dans la communication de données. Cette avancée ajoute encore un autre avantage au graphène, qui a acquis une réputation de matériau miracle depuis 2004, date à laquelle il a été extrait pour la première fois du graphite, le même élément en mine de crayon. Cette réalisation a valu aux scientifiques de l'Université de Manchester Andre Geim et Konstantin Novoselov le prix Nobel de physique l'année dernière.
Zhang a travaillé avec un autre membre du corps professoral Feng Wang, professeur adjoint de physique et chef du groupe Ultrafast Nano-Optics à l'UC Berkeley. Zhang et Wang sont tous deux des scientifiques de la faculté à la Division des sciences des matériaux du Laboratoire national Lawrence Berkeley.
"L'impact de cette technologie sera considérable, " a déclaré Wang. " En plus des opérations à grande vitesse, Les modulateurs à base de graphène pourraient conduire à des applications non conventionnelles en raison de la flexibilité du graphène et de sa facilité d'intégration avec différents types de matériaux. Le graphène peut également être utilisé pour moduler de nouvelles gammes de fréquences, comme la lumière infrarouge moyenne, qui sont largement utilisés dans la détection moléculaire.
Le graphène est le plus fin, matériau cristallin le plus résistant jamais connu. Il peut être étiré comme du caoutchouc, et il a l'avantage supplémentaire d'être un excellent conducteur de chaleur et d'électricité. Cette dernière qualité du graphène en fait un matériau particulièrement attractif pour l'électronique.
"Le graphène est compatible avec la technologie silicium et est très bon marché à fabriquer, " dit Ming Liu, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Zhang et co-auteur principal de l'étude. "Des chercheurs en Corée l'année dernière en ont déjà produit des feuilles de 30 pouces. De plus, très peu de graphène est nécessaire pour être utilisé comme modulateur. Le graphite dans un crayon peut fournir suffisamment de graphène pour fabriquer 1 milliard de modulateurs optiques."
C'est le comportement des photons et des électrons dans le graphène qui a d'abord attiré l'attention des chercheurs de l'UC Berkeley.
Montré est une image au microscope électronique à balayage (MEB) grossissant les structures clés du modulateur optique à base de graphène. (Des couleurs ont été ajoutées pour améliorer le contraste). Des électrodes d'or (Au) et de platine (Pt) sont utilisées pour appliquer des charges électriques à la feuille de graphène, représenté en bleu, placé au-dessus du guide d'onde en silicium (Si), indiqué en rouge. La tension peut contrôler la transparence du graphène, transformer efficacement la configuration en un modulateur optique qui peut allumer et éteindre la lumière. (image de Ming Liu)
Les chercheurs ont découvert que l'énergie des électrons, appelé son niveau de Fermi, peut être facilement modifié en fonction de la tension appliquée au matériau. Le niveau de Fermi du graphène détermine à son tour si la lumière est absorbée ou non.
Lorsqu'une tension négative suffisante est appliquée, les électrons sont extraits du graphène et ne sont plus disponibles pour absorber les photons. La lumière est « allumée » car le graphène devient totalement transparent au passage des photons.
Le graphène est également transparent à certaines tensions positives car, dans cette situation, les électrons s'entassent si étroitement qu'ils ne peuvent pas absorber les photons.
Les chercheurs ont trouvé un point idéal au milieu où il y a juste assez de tension appliquée pour que les électrons puissent empêcher les photons de passer, éteindre efficacement la lumière.
"Si le graphène était un couloir, et les électrons étaient des gens, vous pourriez dire ça, quand la salle est vide, il n'y a personne autour pour arrêter les photons, " dit Xiaobo Yin, co-auteur principal de l'article sur Nature et chercheur scientifique dans le laboratoire de Zhang. « A l'autre extrême, quand la salle est trop encombrée, les gens ne peuvent pas bouger et sont inefficaces pour bloquer les photons. C'est entre ces deux scénarios que les électrons sont autorisés à interagir et à absorber les photons, et le graphène devient opaque."
Dans leur expérience, les chercheurs ont superposé du graphène à un guide d'ondes en silicium pour fabriquer des modulateurs optiques. Les chercheurs ont pu atteindre une vitesse de modulation de 1 gigahertz, mais ils ont noté que la vitesse pouvait théoriquement atteindre 500 gigahertz pour un seul modulateur.
Alors que les composants basés sur l'optique présentent de nombreux avantages par rapport à ceux qui utilisent l'électricité, y compris la capacité de transporter plus rapidement des paquets de données plus denses, les tentatives pour créer des interconnexions optiques qui s'adaptent parfaitement à une puce informatique ont été entravées par la quantité relativement importante d'espace requis en photonique.
Les ondes lumineuses sont moins agiles dans les espaces restreints que leurs homologues électriques, les chercheurs ont noté, les applications basées sur les photons ont donc été principalement confinées aux appareils à grande échelle, comme les lignes à fibre optique.
"Les électrons peuvent facilement faire un tour en L car les longueurs d'onde dans lesquelles ils opèrent sont petites, " a déclaré Zhang. " Les longueurs d'onde de la lumière sont généralement plus grandes, ils ont donc besoin de plus d'espace pour manœuvrer. C'est comme tourner un long, stretch limousine au lieu d'une moto au coin de la rue. C'est pourquoi les optiques nécessitent des miroirs encombrants pour contrôler leurs mouvements. La réduction de l'échelle du dispositif optique le rend également plus rapide, car la seule couche atomique de graphène peut réduire considérablement la capacité - la capacité de maintenir une charge électrique - ce qui entrave souvent la vitesse du dispositif."
Les modulateurs à base de graphène pourraient surmonter la barrière spatiale des dispositifs optiques, les chercheurs ont dit. Ils ont réussi à réduire un modulateur optique à base de graphène à un relativement petit 25 microns carrés, une taille environ 400 fois plus petite qu'un cheveu humain. L'empreinte d'un modulateur commercial typique peut atteindre quelques millimètres carrés.
Même à une si petite taille, le graphène offre une capacité de bande passante puissante. Le graphène peut absorber un large spectre de lumière, allant sur des milliers de nanomètres de longueurs d'onde ultraviolettes à infrarouges. Cela permet au graphène de transporter plus de données que les modulateurs de pointe actuels, qui fonctionnent à une bande passante allant jusqu'à 10 nanomètres, les chercheurs ont dit.
"Les modulateurs à base de graphène offrent non seulement une augmentation de la vitesse de modulation, ils peuvent permettre de plus grandes quantités de données emballées dans chaque impulsion, " a déclaré Zhang. " Au lieu du haut débit, nous aurons 'extremeband.' Ce que nous voyons ici et à l'avenir avec les modulateurs à base de graphène sont d'énormes améliorations, non seulement dans l'électronique grand public, mais dans tout domaine désormais limité par les vitesses de transmission des données, y compris la bioinformatique et les prévisions météorologiques. Nous espérons voir des applications industrielles de ce nouveau dispositif dans les prochaines années."
