L'une des exigences clés des futures technologies de communication optique est une source de lumière à l'échelle nanométrique capable d'émettre des impulsions lumineuses ultrarapides. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont montré que le graphène peut être un candidat idéal pour une telle source lumineuse, en démontrant des dispositifs à base de graphène qui émettent des impulsions lumineuses avec une bande passante allant jusqu'à 10 GHz et des durées d'impulsion inférieures à 100 picosecondes (ou 10 milliards d'impulsions par seconde).

Les chercheurs, dont l'auteur principal Young Duck Kim à l'Université Kyung Hee en Corée du Sud, le professeur James Hone de l'Université Columbia, et leurs co-auteurs, ont publié un article sur les émetteurs de lumière à base de graphène dans un récent numéro de Lettres nano .

« Le graphène est un matériau émergent important en nanophotonique :des travaux récents ont démontré des photodétecteurs et des modulateurs optiques à grande vitesse à base de graphène, " Kim a dit Phys.org . "Ce travail ajoute une émission de lumière à la boîte à outils des dispositifs photoniques ultrarapides à base de graphène."

Comme l'expliquent les physiciens, le graphène possède plusieurs propriétés qui en font un candidat prometteur comme émetteur de lumière ultrarapide, y compris une stabilité thermique élevée et une faible capacité calorifique. Des recherches antérieures ont démontré que les appareils à base de graphène peuvent émettre de la lumière dans les gammes infrarouge et visible, bien que le défi de permettre une modulation marche-arrêt rapide et pratique demeure toujours. Les chercheurs expliquent que, pour ce faire, une conception de dispositif supportée par un substrat avec une conduction thermique efficace est nécessaire pour permettre un refroidissement rapide entre les impulsions.

Pour répondre à ce besoin, dans le nouvel article, les chercheurs ont encapsulé du graphène dans du nitrure de bore hexagonal (hBN). Ils ont démontré que l'encapsulation permet au graphène d'atteindre des températures suffisamment élevées pour émettre une lumière vive dans le visible et le proche infrarouge, avec une bonne stabilité (durée de vie estimée des appareils d'au moins 4 ans), et refroidissement rapide. Par conséquent, l'appareil génère des impulsions lumineuses ultrarapides d'une durée aussi courte que 90 picosecondes et un taux de modulation qui est plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les émetteurs thermiques conventionnels.

Les physiciens expliquent que la grande vitesse se produit probablement parce qu'il existe deux types différents de phonons (optique et acoustique), et les électrons du graphène sont fortement couplés aux phonons optiques mais faiblement couplés aux phonons acoustiques. D'autres travaux récents ont montré que les électrons et les phonons optiques forment des modes hybrides à l'interface graphène-hBN connus sous le nom de polaritons plasmon-phonon, qui fournissent un transfert de chaleur en champ proche très efficace. Ensemble, le faible couplage acoustique des phonons et la relaxation électronique directe en hBN permettent un refroidissement à une vitesse beaucoup plus rapide que nécessaire pour transférer la chaleur hors du système par conduction, ce qui permet des vitesses de modulation élevées.

Les chercheurs s'attendent à ce que les émetteurs de lumière ultrarapides au graphène aient des applications potentielles au-delà des communications optiques de 100 GHz, extension à la spectroscopie sur puce, photodétecteurs, et plasmonique. Les dispositifs peuvent également être utiles en tant qu'appareils de chauffage ultrarapides pour étudier des phénomènes tels que des réactions chimiques et des transitions de phase. Comme prochaine étape, les chercheurs prévoient d'améliorer encore les propriétés d'émission de lumière des appareils.

"Nous prévoyons de pousser à la fois la vitesse et l'efficacité de ces appareils, " a déclaré Hone. "Nos calculs indiquent que la vitesse fondamentale de ces appareils devrait dépasser 100 GHz. À l'heure actuelle, l'efficacité énergétique est faible, mais il existe de nombreuses techniques qui peuvent être utilisées pour augmenter l'émission de lumière et réduire le flux de chaleur afin d'améliorer l'efficacité."

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