Les émetteurs de lumière à grande vitesse intégrés sur des puces de silicium peuvent permettre de nouvelles architectures pour l'optoélectronique à base de silicium. Cependant, les émetteurs de lumière à base de composés semi-conducteurs sont confrontés à des défis majeurs pour leur intégration avec une plate-forme à base de silicium en raison de leur difficulté de fabrication directe sur un substrat de silicium. Ici, grande vitesse, des émetteurs de corps noir hautement intégrés à base de graphène sur puce de silicium dans la région du proche infrarouge (NIR), y compris la longueur d'onde des télécommunications, ont été développés.

Le graphène est un matériau nanocarboné bidimensionnel, ayant une électronique unique, propriétés optiques et thermiques applicables aux dispositifs optoélectroniques. Les émetteurs de corps noir à base de graphène sont également des émetteurs de lumière prometteurs sur puce de silicium dans le proche infrarouge et dans l'infrarouge moyen. Cependant, bien que des émetteurs de corps noir à base de graphène aient été démontrés dans des conditions d'équilibre ou de modulation relativement lente (100 kHz), les propriétés transitoires de ces émetteurs sous modulation à grande vitesse n'ont pas été rapportées à ce jour. Aussi, les communications optiques avec des émetteurs à base de graphène n'ont jamais été démontrées.

Ici, les chercheurs ont démontré un système hautement intégré, émetteur de corps noir à grande vitesse et sur puce basé sur le graphène dans la région NIR, y compris la longueur d'onde des télécommunications. Un temps de réponse rapide d'environ 100 picosecondes a été démontré expérimentalement pour le graphène monocouche et à quelques couches. Les réponses d'émission peuvent être contrôlées par le contact du graphène avec le substrat en fonction du nombre de couches de graphène. Les mécanismes de l'émission à grande vitesse sont élucidés en effectuant des calculs théoriques des équations de conduction thermique en considérant le modèle thermique d'émetteurs comprenant du graphène et un substrat.

Les résultats simulés indiquent que les propriétés de réponse rapide peuvent être comprises non seulement par le transport thermique classique de la conduction thermique dans le plan dans le graphène et la dissipation thermique vers le substrat, mais aussi par le transport thermique quantique à distance via les phonons polaires de surface (SPoPhs) de les substrats. En outre, la première communication optique en temps réel avec des émetteurs de lumière à base de graphène a été démontrée expérimentalement, indiquant que les émetteurs de graphène sont de nouvelles sources lumineuses pour la communication optique. Par ailleurs, nous avons fabriqué des émetteurs à matrice bidimensionnelle intégrés avec du graphène à grande échelle développé par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et des émetteurs plafonnés fonctionnant dans l'air, et réalisé le couplage direct des fibres optiques aux émetteurs en raison de leur faible encombrement et de leur structure de dispositif planaire.

Les émetteurs de lumière au graphène sont très avantageux par rapport aux émetteurs à semi-conducteurs composés conventionnels car ils peuvent être hautement intégrés sur une puce de silicium en raison de processus de fabrication simples d'émetteurs de graphène et d'un couplage direct avec un guide d'ondes en silicium à travers un champ évanescent. Parce que le graphène peut réaliser à grande vitesse, émetteurs de lumière à faible encombrement et sur puce Si, qui restent des défis pour les semi-conducteurs composés, les émetteurs de lumière à base de graphène peuvent ouvrir de nouvelles voies vers l'optoélectronique hautement intégrée et la photonique sur silicium.