Détecteur de lumière rapide à partir de matériaux bidimensionnels
Deux groupes de travail de l'ETH Zurich ont développé ensemble un nouveau type de détecteur de lumière. Il se compose de matériaux bidimensionnels en couches couplés à un guide d'ondes lumineuses en silicium. A l'avenir, cette approche permettra également de fabriquer des diodes électroluminescentes et des modulateurs de lumière.
Des capteurs très sensibles ainsi que des commutateurs petits et rapides pour la lumière sont les pièces ma?tresses de la transmission de données par fibres optiques. Ces dernières années, ces composants de télécommunication n'ont cessé d'être améliorés, mais il est de plus en plus difficile d'en tirer encore plus de bénéfices. Pour cela, il faut réunir les forces de différentes spécialisations, comme viennent de le montrer deux groupes de recherche de l'ETH Zurich.
Des scientifiques réunis autour des professeurs Jürg Leuthold de l'Institut des champs électromagnétiques et Lukas Novotny de l'Institut de photonique ont développé, en collaboration avec des collègues du National Institute for Material Science de Tsukuba (Japon), un détecteur de lumière extrêmement rapide et sensible, basé sur l'interaction de nouveaux matériaux bidimensionnels et de guides de lumière nanophotoniques. Leurs résultats ont été publiés récemment dans la revue spécialisée Nature Nanotechnology.
Matériaux bidimensionnels
"Dans notre détecteur, nous voulions exploiter les avantages de différents matériaux et surmonter leurs limitations respectives", explique Nikolaus Fl?ry, doctorant dans le groupe de Novotny. "La meilleure fa?on d'y parvenir est de créer une sorte de cristal artificiel - également appelé hétérostructure - composé de couches de quelques atomes seulement chacune. En outre, nous nous sommes intéressés à savoir si l'engouement pour de tels matériaux bidimensionnels était vraiment justifié pour des applications pratiques. "
Dans les matériaux bidimensionnels, comme le graphène, les électrons ne se déplacent que dans un seul plan au lieu de trois dimensions spatiales. Cela modifie fondamentalement leurs propriétés de transport, par exemple lorsqu'une tension électrique est appliquée. Alors que le graphène ne convient que sous certaines conditions aux applications optiques, les composés de métaux de transition comme le molybdène ou le tungstène et de chalcogènes comme le soufre ou le tellure (abrégés en TMDC) sont très sensibles à la lumière et se combinent facilement avec des fibres optiques en silicium.
Interaction des approches
Dans ce contexte, l'expertise pour les fibres optiques et l'optoélectronique à grande vitesse est venue du groupe de travail de Jürg Leuthold. Ping Ma, Senior Scientist du groupe, souligne que c'est l'interaction des deux approches qui a rendu possible le nouveau détecteur : "La compréhension à la fois des matériaux bidimensionnels et des guides d'ondes par lesquels la lumière est injectée dans le détecteur a été fondamentale pour la réussite.
Ensemble, nous avons constaté que les matériaux bidimensionnels se prêtent particulièrement bien à la combinaison avec des guides de lumière en silicium. C'est là que les spécialisations de nos groupes se sont parfaitement complétées. "Il fallait d'une part trouver un moyen d'accélérer les détecteurs à base de TMDC, qui sont normalement assez lents. D'autre part, il fallait coupler le détecteur de manière optimale aux structures en silicium avec lesquelles l'appareil est par exemple connecté à une fibre optique.
Rapidité gr?ce à la structure verticale
"Nous avons résolu le problème de la vitesse en créant une hétérostructure verticale à partir d'un TMDC - dans notre cas, du ditellurure de molybdène - et de graphène", explique Fl?ry. Contrairement aux détecteurs traditionnels, les électrons excités par les particules de lumière entrantes ne doivent pas traverser une couche épaisse de matériau avant de pouvoir être mesurés. Au lieu de cela, la couche bidimensionnelle de TMDC fait en sorte que les électrons quittent le matériau vers le haut ou vers le bas en un temps très court.
Plus cela va vite, plus la bande passante du détecteur est grande. Celle-ci indique la fréquence à laquelle les données codées en impulsions lumineuses peuvent être re?ues. "Nous avions espéré créer quelques gigahertz de bande passante avec notre nouvelle technologie - en fait, nous avons atteint 50 gigahertz", explique Fl?ry. Jusqu'à présent, les détecteurs TMDC permettaient d'obtenir une bande passante inférieure à un gigahertz.
Le couplage optimal de la lumière a été obtenu en intégrant directement le détecteur dans un guide de lumière nanophotonique. Une onde dite évanescente, qui sort latéralement du guide de lumière, alimente les photons à travers une couche de graphène (qui assure une faible résistance électrique) dans la couche de ditellurure de molybdène de l'hétérostructure.
Ils y excitent ensuite des électrons qui sont finalement détectés sous forme de courant. Le design intégré du guide d'ondes permet d'absorber suffisamment de lumière lors de ce processus.
Une technologie aux multiples possibilités
Les chercheurs de l'ETH sont convaincus que cette combinaison de guides d'ondes et d'hétérostructures permettra de fabriquer non seulement des détecteurs de lumière, mais aussi d'autres composants optiques tels que des modulateurs de lumière, des diodes électroluminescentes et des lasers. "Les possibilités sont presque illimitées", s'enthousiasment Fl?ry et Ma. "Avec le détecteur, nous n'avons pris qu'un exemple de tout ce que l'on peut faire avec cette technologie".
Dans un avenir proche, les scientifiques veulent utiliser leurs découvertes et étudier d'autres matériaux bidimensionnels. Une centaine de ces matériaux sont actuellement connus, ce qui offre d'innombrables possibilités de combinaison pour de nouvelles hétérostructures. Ils souhaitent en outre exploiter d'autres effets physiques, tels que les plasmons, afin d'obtenir une nouvelle amélioration des performances.
Référence bibliographique
Fl?ry N, Ma P, Salamin Y et al. Photodétecteur à hétérostructure de van der Waals intégrée par guide d'onde à des longueurs d'onde de télécommunication avec une grande vitesse et une grande réactivité. Nature Nanotechnology 15, 118-124 (2020). page externehttps://doi.org/10.1038/s41565-019-0602-z