Deux groupes de recherche de l'ETH Zurich ont uni leurs forces pour développer un nouveau détecteur de lumière. Il se compose de couches bidimensionnelles de différents matériaux qui sont couplées à un guide d'ondes optique en silicium. À l'avenir, cette approche peut également être utilisée pour fabriquer des LED et des modulateurs optiques.

Des modulateurs rapides et hautement efficaces ainsi que des détecteurs de lumière sont les composants essentiels de la transmission de données via des câbles à fibres optiques. Dans les années récentes, ces blocs de construction pour les télécommunications basés sur des matériaux optiques existants ont été constamment améliorés, mais maintenant, il devient de plus en plus difficile d'obtenir de nouvelles améliorations. Cela prend les forces combinées de différentes spécialisations, comme l'ont maintenant montré deux groupes de recherche de l'ETH Zurich.

Un groupe de scientifiques dirigé par les professeurs Jürg Leuthold de l'Institut des champs électromagnétiques et Lukas Novotny de l'Institut de photonique, avec des collègues du National Institute for Material Science de Tsukuba (Japon), ont développé un détecteur de lumière extrêmement rapide et sensible basé sur l'interaction entre de nouveaux matériaux bidimensionnels et des guides d'ondes optiques nano-photoniques. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie .

Matériaux bidimensionnels

« Dans notre détecteur, nous avons voulu exploiter les avantages des différents matériaux tout en dépassant leurs contraintes individuelles, " explique Nikolaus Flöry, un doctorat étudiant dans le groupe de Novotny. "La meilleure façon de le faire est de fabriquer une sorte de cristal artificiel - également connu sous le nom d'hétérostructure - à partir de différentes couches qui n'ont chacune que quelques atomes d'épaisseur. De plus, nous étions intéressés de savoir si tout le buzz autour de ces matériaux bidimensionnels pour des applications pratiques est réellement justifié. »

Dans des matériaux bidimensionnels, comme le graphène, les électrons ne se déplacent que dans un plan plutôt que dans trois dimensions spatiales. Cela modifie profondément leurs propriétés de transport, par exemple lorsqu'une tension électrique est appliquée. Bien que le graphène ne soit pas le choix idéal pour les applications optiques, les composés de métaux de transition tels que le molybdène ou le tungstène et les chalcogènes tels que le soufre ou le tellure (en abrégé TMDC) sont très photosensibles et, en plus de ça, peut être facilement combiné avec des guides d'ondes optiques en silicium.

Interaction de différentes approches

L'expertise pour les guides d'ondes et l'optoélectronique à grande vitesse est venue du groupe de recherche de Jürg Leuthold. Ping Maman, le scientifique principal du groupe, souligne que c'est l'interaction entre les deux approches qui a rendu possible le nouveau détecteur :« La compréhension à la fois des matériaux bidimensionnels et des guides d'ondes à travers lesquels la lumière est introduite dans le détecteur était d'une importance fondamentale pour notre succès. Ensemble, nous nous sommes rendu compte que les matériaux bidimensionnels sont particulièrement adaptés pour être combinés avec des guides d'ondes en silicium. Les spécialisations de nos groupes se complétaient parfaitement."

Les chercheurs ont dû trouver un moyen de rendre plus rapides les détecteurs basés sur le TMDC, généralement plutôt lents. D'autre part, le détecteur devait être couplé de manière optimale aux structures de silicium utilisées comme interface sans sacrifier ses performances à grande vitesse.

Vitesse à travers la structure verticale

"Nous avons résolu le problème de la vitesse en réalisant une hétérostructure verticale constituée d'un TMDC - ditellurure de molybdène dans notre cas - et de graphène, " dit Flöry. A la différence des détecteurs conventionnels, de cette façon, les électrons excités par les particules lumineuses entrantes n'ont pas besoin de se frayer un chemin à travers la masse du matériau avant d'être mesurés. Au lieu, la couche bidimensionnelle de TMDC garantit que les électrons peuvent quitter le matériau en très peu de temps vers le haut ou vers le bas.

Plus vite ils partent, plus la bande passante du détecteur est grande. La bande passante indique à quelle fréquence les données codées en impulsions lumineuses peuvent être reçues. « Nous espérions obtenir quelques gigahertz de bande passante avec notre nouvelle technologie. nous avons effectivement atteint 50 Gigahertz, " dit Flöry. Jusqu'à présent, des bandes passantes inférieures à un gigahertz étaient possibles avec des détecteurs basés sur TMDC.

Couplage optimal de la lumière, d'autre part, was achieved by integrating the detector into a nano-photonic optical waveguide. A so-called evanescent wave, which laterally protrudes from the waveguide, feeds the photons through a graphene layer (which has a low electrical resistance) into the molybdenum-ditelluride layer of the heterostructure.

Là, they excite electrons that are eventually detected as a current. The integrated waveguide design ensures that enough light is absorbed in that process.

Technology with multiple possibilities

The ETH researchers are convinced that with this combination of waveguides and heterostructures they can make not just light detectors, but also other optical elements such as light modulators, LEDs and lasers. "The possibilities are almost limitless, " Flöry and Ma enthuse about their discovery. "We just picked out the photodetector as an example of what can be done with this technology."

Dans le futur proche, the scientists want to use their findings and investigate other two-dimensional materials. About a hundred of them are known to date, which gives countless possible combinations for novel heterostructures. De plus, they want to exploit other physical effects, such as plasmons, in order to improve the performance of their device even further.