L'intégration de feuilles de graphène dans la photonique sur silicium pourrait constituer la base des communications de données de nouvelle génération. Les chercheurs de l'initiative Graphene Flagship ont rapproché la technologie de l'application en démontrant la première communication de données à haute vitesse au monde basée sur le graphène à un débit de données de 50 Gb/s.

Le programme Graphene Flagship vise à agir comme un catalyseur pour le développement d'applications révolutionnaires en réunissant les universités et l'industrie pour intégrer ce matériau polyvalent dans la société d'ici 10 ans. L'importance de l'intégration du graphène dans la photonique sur silicium était évidente dans les résultats conjoints produits par la collaboration entre les partenaires phares AMO GmbH (Allemagne), le Consortium National Inter-Universitaire des Télécommunications (CNIT) (Italie), Ericsson (Suède), Université de Gand (Belgique), l'Institut des sciences photoniques (ICFO) (Espagne), imec (Belgique), Nokia (Allemagne et Italie), l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) (Autriche) et l'Université de Cambridge (Royaume-Uni).

Merveille à une puce

Le silicium a été largement salué comme adapté à l'intégration monolithique pour la photonique. Cependant, l'augmentation de la vitesse et la réduction de la puissance et de l'encombrement des composants clés de la technologie photonique sur silicium n'ont pas été atteints dans une seule puce, à ce jour. Mais le graphène, avec sa capacité d'émission de signaux, modulation et détection—peut être la prochaine technologie perturbatrice pour y parvenir.

"Le graphène offre une solution tout-en-un pour les technologies optoélectroniques, " note Daniel Neumaier d'AMO GmbH, Chef de la division Graphene Flagships sur l'intégration de l'électronique et de la photonique. Ses propriétés optiques réglables, haute mobilité électrique, le fonctionnement à large bande spectrale et la compatibilité avec la photonique silicium permettent une intégration monolithique des modulateurs de phase et d'absorption, interrupteurs et photodétecteurs. L'intégration sur une seule puce peut augmenter les performances de l'appareil et réduire considérablement son empreinte et son coût de fabrication.

Pas entièrement collé sur du silicium

La modulation et la détection de la lumière sont des opérations clés dans les circuits intégrés photoniques. Manque de bande interdite, Le graphène permet la détection de la lumière à large bande avec un seul matériau car il absorbe uniformément sur une large plage du spectre visible et infrarouge. Le matériau 2-D affiche également des effets d'électro-absorption et d'électro-réfraction qui peuvent être utilisés pour une modulation ultrarapide.

Au lieu de s'appuyer sur la coûteuse technologie de plaquettes de silicium sur isolant largement utilisée dans la photonique sur silicium, Les chercheurs de Graphene Flagship ont proposé une configuration plus pratique. Il s'agissait d'une paire de couches de graphène monocouche (SLG), un condensateur constitué d'un empilement SLG-isolateur-SLG au-dessus d'un guide d'ondes passif. "Un tel agencement présente plusieurs avantages par rapport aux modulateurs photoniques au silicium, " explique Neumaier. Comme il le précise plus loin, la fabrication du modulateur ne repose pas sur le matériau du guide d'ondes ou sur les mécanismes de modulation d'électro-absorption et d'électroréfraction. En outre, le remplacement des photodétecteurs au germanium par des SLG élimine le besoin des modules assez coûteux d'épitaxie au germanium et des processus de dopage spécialisés qui les accompagnent.

Le nitrure de silicium (SiN) a fourni un bon substrat pour la synthèse du graphène, permettant une grande mobilité des transporteurs, transparence sur les domaines visible et infrarouge et parfaite compatibilité avec les technologies silicium et métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS). En tant que plate-forme de guide d'ondes passif, SiN facilite l'intégration laser et le couplage fibre au guide d'onde, permettant ainsi la conception de dispositifs miniaturisés.

Un avenir radieux pour la photoélectronique à base de graphène

Exploiter le potentiel du graphène, les chercheurs ont réussi à démontrer la communication de données avec des composants photoniques de graphène jusqu'à un débit de données de 50 Gb/s. Un modulateur à base de graphène a traité les données du côté émetteur du réseau, coder un flux de données électroniques en un signal optique. Côté récepteur, un photodétecteur à base de graphène a converti la modulation optique en un signal électronique. "Ces résultats sont un début prometteur pour l'utilisation de dispositifs photoniques à base de graphène dans les communications de données de nouvelle génération, " conclut Neumaier.