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Les photodétecteurs au graphène intégrés dans les puces de silicium CMOS pourraient annoncer une nouvelle ère optoélectronique – High-teK.ca

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La plupart des informations modernes parcourent de longues distances sous forme de lumière laser infrarouge, mais lorsque ces données atteignent leur destination, elles nécessitent des dispositifs appelés photodétecteurs pour traduire le langage optique du transfert de données en langage électronique de calcul. Cette semaine, des chercheurs de l’Université de technologie de Vienne (VUT) ont réussi à créer une puce en silicium avec un photodétecteur intégré en graphène. Le matériau miracle qui semble sur le point de révolutionner tant d’industries pourrait également changer la façon dont nous construisons des ordinateurs et des réseaux.

Il y a deux avantages clés à utiliser le graphène dans ce cas. La première est simple : la rapidité. Des tas et des tas de vitesse. Même les photodétecteurs avancés constitués d’éléments rares sont en retard sur le graphène en termes de vitesse de transmission et de réactivité (latence). C’est parce que le graphène a un arrangement sous-atomique spécial qui le rend « aromatique » – en d’autres termes, le graphène a une distribution d’électrons si bien équilibrée dans sa structure atomique que ces électrons peuvent circuler sans résistance ni retard. Cela signifie qu’un événement passionnant comme un photon entrant peut être transformé en un signal électronique beaucoup plus rapidement que par n’importe quel modèle précédent. La réactivité de ce nouveau détecteur intégré est en fait huit fois supérieure à celle des modèles de graphène précédents qui existaient séparément de la puce elle-même.

graphène 2Le deuxième avantage du graphène est la taille incroyablement petite à laquelle il remplira cette fonction. L’équipe affirme que leur photodétecteur peut être si petit que 20 000 d’entre eux pourraient tenir sur une puce d’un centimètre carré seulement. Cela signifie qu’un mécanisme de transfert à résolution suffisamment élevée pourrait théoriquement fournir à cette puce unique 20 000 lignes d’informations indépendantes. Que la puce puisse gérer une telle entrée est une tout autre affaire.

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Le principal obstacle de l’équipe n’était pas de prouver les incroyables capacités du graphène dans optoélectronique, mais en intégrant ces capacités dans une puce elle-même ; vous ne pouvez pas simplement échanger ce nouveau photodétecteur au graphène et l’utiliser avec n’importe quel ancien processeur. Un photodétecteur intégré fonctionnel signifie, entre autres, que le transfert de données optiques pourrait être utile dans un ordinateur. Cela signifie que plusieurs cœurs dans un même système pourraient communiquer plus rapidement et donnerait une machine qui gaspillerait beaucoup moins d’électricité.

Le graphène peut également absorber et convertir l’énergie de tout le spectre de la lumière utilisée dans les communications modernes. Les photodétecteurs plus anciens, et même les photodétecteurs modernes avancés constitués d’éléments comme le germanium, ne peuvent absorber qu’une seule longueur d’onde de la lumière entrante. Les chercheurs ont montré que le graphène peut également bien absorber la lumière de tout le spectre utilisable, de 1310 nm à 1650 nm. Tout ce qu’il faut dans cette configuration est un guide d’ondes qui dirige la lumière entrante sur le minuscule détecteur de graphène. (Voir: IBM crée la première puce intégrée électronique-photonique économique et commercialement viable.)

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Ce câble à fibre optique de qualité militaire est excellent, mais son potentiel est limité par des goulots d’étranglement comme les photodétecteurs.

Le travail de VUT était en fait l’une des trois études sur l’absorptivité du graphène publiées dans Photonique de la nature cette semaine – les applications possibles du graphène étiré continuent de croître à un rythme incroyable. Il possède des propriétés physiques fondamentales qui surpassent tout ce qui l’a précédé – les mêmes vertus qui promettent le graphène pour les câbles supraconducteurs, par exemple, le rendent utile dans la photo-conversion. Bien que de nombreux membres du public soient de plus en plus blasés par le volume des utilisations proposées pour le graphène, la ruée vers le carbone se poursuivra presque certainement pendant un certain temps. (Lis: Le monde merveilleux des matériaux merveilleux.)

Le principal inconvénient du graphène pour les applications optiques est sa sensibilité ; alors que la vitesse de transfert électronique est inégalée, sa capacité à répondre aux faibles intensités lumineuses est assez médiocre – jusqu’à 10 fois pire que son concurrent, le germanium. Les chercheurs restent convaincus qu’ils disposent d’une méthode pour résoudre ce problème, mais leur puce intégrée est déjà suffisante pour attirer l’attention de quiconque cherche à prédire la prochaine frontière de l’informatique.

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Document de recherche: doi:10.1038/nphoton.2013.240 – « Photodétecteur au graphène compatible CMOS couvrant toutes les bandes de communication optique »

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