Le graphène, un accélérateur d’innovation pour l’optoélectronique de demain

Illustration du graphène
Les propriétés de ce “matériau miracle” devraient permettre d’optimiser les réseaux très haut débit et soutenir le déploiement des nouvelles générations de réseaux de téléphonie mobile, en favorisant la mise au point de systèmes de communication optique haute performance.

“Les technologies basées sur le graphène devraient permettre d’optimiser les réseaux très haut débit et soutenir le déploiement des prochains réseaux mobiles.”

Synthétisé pour la première fois en 2004 par les physiciens russes Konstantin Novoselov et Andre Geim, ce qui leur vaudra le prix Nobel de physique en 2010, le graphène est souvent décrit comme un “matériau miracle” en raison de ses propriétés uniques, qu’elles soient mécaniques, électriques ou thermiques. Feuillet en deux dimensions composé d’atomes de carbone formant un réseau en nids d’abeille, le graphène est en effet très résistant et léger, fin et flexible. Il constitue en outre un exceptionnel conducteur d’électricité et de chaleur.

Le graphène est un feuillet en deux dimensions composé d’atomes de carbone formant un réseau en nids d’abeille

Ces propriétés en font un bon candidat pour remplacer le silicium – qui atteindra bientôt ses limites physiques, notamment en termes de miniaturisation des composants électroniques, de réduction de coûts et d’optimisation énergétique – pour les technologiques de la microélectronique et de l’optoélectronique. C’est précisément pour cette raison que le graphène intéresse l’industrie des télécommunications, dont l’avenir est intimement lié aux progrès réalisés dans ces domaines.

Faire sortir le graphène des laboratoires et développer ses applications commerciales

En 2013, l’Union européenne lançait une initiative de grande envergure pour tirer avantage de l’immense potentiel du graphène et développer ses applications commerciales dans plusieurs domaines. D’une durée de dix ans et doté d’un budget d’un milliard d’euros, le programme Graphene Flagship vise à “faire sortir le graphène et les matériaux apparentés (GRM) de leurs laboratoires pour les mettre à disposition de la société sous forme de nouveaux produits fascinants et polyvalents”.

L’industrie biomédicale s’intéresse par exemple au graphène pour la délivrance ciblée de médicaments ou la fabrication de biocapteurs ultrasensibles et d’implants cérébraux profonds. Dans l’aéronautique, il permet déjà de produire des pièces d’avion plus fines et plus légères et, bientôt, favorisera la construction d’avions plus sûrs grâce à des technologies inédites, comme les systèmes de protection contre la glace ou la foudre.

Dans les télécommunications, les technologies optoélectroniques basées sur le graphène devraient permettre la mise au point de systèmes de communication optique haute performance offrant une meilleure efficacité énergétique. Avec à la clé une optimisation des réseaux de fibre optique et le déploiement de nouvelles générations de réseaux de téléphonie mobile, comme la 6G.

Booster la photonique sur silicium pour les réseaux de fibre optique

“L’intégration de feuilles de graphène dans la photonique sur silicium pourrait servir de base pour les transmissions de données de prochaine génération”, peut-on lire sur le portail CORDIS, qui relaie les résultats des projets de recherche financés par l’Union européenne.

La photonique sur silicium consiste à utiliser les procédés de fabrication de l’industrie microélectronique pour réaliser des circuits intégrés photoniques en rassemblant l’ensemble des composants permettant le traitement de signal optique sur une tranche de silicium (“wafer”). Cette intégration permet d’améliorer les performances des circuits utilisés pour les réseaux de fibre optique, d’augmenter considérablement leur densité et de réduire leur coût de fabrication.

Si l’intérêt – et le très grand potentiel – de l’optique intégrée a été démontré, et que cette technologie est progressivement devenue une réalité industrielle (Intel commercialise depuis plusieurs années des émetteurs-récepteurs photoniques au silicium 100G et au-delà), il n’avait pas encore été possible “d’augmenter la vitesse ou de réduire la puissance et la place occupée par les composants essentiels de la technologie de la photonique sur silicium”, explique l’article du CORDIS.

“Mais le graphène – avec ses capacités en termes d’émission, de modulation et de détection de signal – est susceptible d’être la prochaine technologie de rupture à y parvenir.” En exploitant les propriétés de ce matériau (grande mobilité des porteurs de charge, opérabilité sur une large bande spectrale, etc.) et sa compatibilité avec la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), des chercheurs du programme Graphene Flagship ont ainsi démontré la première transmission de données haut débit à base de graphène au monde, atteignant un débit de 50 Gbit/s (gigabits par seconde). Une première étape encourageante.

Des chercheurs ont démontré la première transmission de données haut débit à base de graphène au monde, avec un débit de 50 Gbit/s

Produire, détecter et manipuler les ondes THz pour les réseaux mobiles

Autre révolution annoncée, cette fois dans les réseaux mobiles, celle des ondes térahertz (THz), comme le titre un article paru dans “Le journal” du CNRS en 2020, détaillant les propriétés et les applications éventuelles de cette bande de fréquences dont le potentiel reste encore inexploité. Cette révolution, elle aussi, pourrait être portée par le graphène.

Les ondes térahertz, aussi appelées “rayons T”, sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence s’étend de 0,1 à 30 THz. Situées entre deux régions du spectre électromagnétique bien connues, les micro-ondes et l’infrarouge, elles, sont non ionisantes, et donc “a priori” non nocives, selon un chercheur du CNRS.

Dans le domaine des télécommunications, les ondes THz – qui correspondent à des fréquences plus élevées que les ondes utilisées actuellement (la fréquence des ondes radio est inférieure à 300 GHz) – pourraient permettre d’atteindre des débits bien supérieurs aux 10 Gbit/s atteints à ce jour pour la transmission sans fil de données. À terme, elles rendront ainsi possible la transmission de données très volumineuses sur les smartphones, explique l’article du CNRS.

Les ondes THz permettraient des débits bien supérieurs aux 10 Gbit/s atteints à ce jour pour la transmission sans fil de données

“Ces dernières années, plusieurs équipes dans le monde, dont la nôtre, ont montré qu’il était possible d’obtenir en laboratoire un débit de 100 Gbit/s avec des émetteurs THz délivrant des ondes de 300 GHz environ”, affirme Guillaume Ducournau, de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie du CNRS.

Pour faire sortir la technologie THz des laboratoires, les chercheurs devront développer des systèmes plus performants et moins chers permettant de produire, détecter et manipuler ces ondes appartenant à l’infrarouge lointain.

C’est là qu’intervient le graphène. Identifié comme un matériau particulièrement prometteur, notamment en raison de sa structure qui lui confère une très haute mobilité des électrons, il pourrait entrer dans la composition de ces systèmes. Et ces dernières années, plusieurs travaux menés dans ce sens ont montré des résultats très encourageants.

En 2012, une équipe de recherche de l’université de Notre-Dame, dans l’Indiana aux États-Unis, a dévoilé la première preuve de concept d’un modulateur THz à large bande et à forte profondeur de modulation grâce à l’utilisation du graphène. Les chercheurs ont remplacé la fine couche de métal (“metal gate”) qui équipe habituellement les semi-conducteurs que l’on trouve dans ces systèmes THz par une couche unique de graphène, ce qui a permis d’améliorer significativement le taux de modulation.

Au laboratoire de physique de l’École normale supérieure, Juliette Mangeney et son équipe ont réussi à générer un rayonnement à partir de graphène excité par des impulsions optiques ultracourtes. La physicienne espère réaliser un laser THz compact et puissant à base de graphène d’ici cinq ans.

Une équipe de l’École normale supérieure a pu générer un rayonnement à partir de graphène excité par des impulsions optiques ultracourtes

Pour profiter des avantages immenses que pourrait apporter le graphène, dans les télécommunications et dans les autres domaines, il faudra toutefois améliorer les procédés de fabrication actuels, afin de pouvoir produire du graphène monocouche – la forme présentant les propriétés les plus intéressantes – à grande échelle.

Sources

Graphene may exceed bandwidth demands of future telecommunications https://www.cam.ac.uk/research/news/graphene-may-exceed-bandwidth-demands-of-future-telecommunications

Les performances spectaculaires du graphène pour les transmissions optiques à grande vitesse https://cordis.europa.eu/article/id/124606-graphenes-spectacular-performance-in-highspeed-optical-communications/fr

Photonique sur silicium : des réseaux à fibres au traitement optique de données https://www.photoniques.com/articles/photon/pdf/2019/05/photon201998p24.pdf

La révolution des ondes térahertz https://lejournal.cnrs.fr/articles/la-revolution-des-ondes-terahertz

Site du programme Graphene Flagship https://graphene-flagship.eu/

Autres projets de recherche à découvrir :

New graphene optoelectronic mixers boost high-speed telecommunications https://graphene-flagship.eu/graphene/news/new-graphene-optoelectronic-mixers-boost-high-speed-telecommunications/

New method to produce graphene nanoribbons could promote use in telecommunications applications https://www.graphene-info.com/new-method-produce-graphene-nanoribbons-could-promote-use-telecommunications

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