L'optique, des technologies qui exploitent le comportement et les propriétés de la lumière, est à la base de nombreux outils technologiques existants, notamment les systèmes de communication par fibre qui permettent une communication à haut débit à longue et courte distance entre les appareils. Les signaux optiques ont une capacité d'information élevée et peuvent être transmis sur de plus longues distances.

Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment développé un nouveau dispositif qui pourrait aider à surmonter certaines des limites des systèmes optiques existants. Cet appareil, présenté dans un article publié dans Nature Photonics , est un dispositif à base de niobate de lithium qui peut commuter des impulsions lumineuses ultracourtes à une énergie d'impulsion optique extrêmement faible de plusieurs dizaines de femtojoules.

"Contrairement à l'électronique, l'optique manque toujours d'efficacité dans les composants requis pour l'informatique et le traitement du signal, ce qui a été un obstacle majeur pour libérer le potentiel de l'optique pour des schémas informatiques ultrarapides et efficaces", a déclaré Alireza Marandi, chercheur principal de l'étude, à Phys.org. . « Au cours des dernières décennies, des efforts substantiels ont été consacrés au développement de commutateurs entièrement optiques qui pourraient relever ce défi, mais la plupart des conceptions écoénergétiques ont souffert de temps de commutation lents, principalement parce qu'elles utilisaient soit des résonateurs à Q élevé, soit des porteuses. basées sur les non-linéarités."

L'objectif principal de l'étude récente de Marandi et de ses collègues était de tirer parti de la non-linéarité inhérente au niobate de lithium pour développer un commutateur optique hautement performant. Ils voulaient que ce commutateur soit ultrarapide (dans la gamme des femtosecondes) et fonctionne dans le régime d'énergie ultra-faible (c'est-à-dire femtojoule).

Lors de la conception de leur appareil, les chercheurs n'ont intégré aucun résonateur. Au lieu de cela, ils ont introduit deux éléments clés qui ont amélioré les performances de commutation de leur appareil, à la fois en termes de consommation d'énergie et de vitesse.

"Premièrement, nous utilisons le confinement spatio-temporel de la lumière dans les nanoguides d'ondes pour améliorer les interactions non linéaires, car la force des processus non linéaires paramétriques dépend de l'intensité maximale", a déclaré Marandi. "Ce confinement spatio-temporel a été possible dans le niobate de lithium nanophotonique en raison de la section transversale à l'échelle nanométrique des guides d'ondes et de la possibilité d'une ingénierie de dispersion, qui permet aux impulsions femtosecondes de rester courtes lorsqu'elles se propagent à travers le guide d'ondes à l'échelle nanométrique."

La deuxième caractéristique de l'appareil créé par Marandi et ses collègues est que l'accord de quasi-phase de ses interactions non linéaires a été conçu. Plus précisément, l'équipe a conçu et modifié l'orientation cristallographique du niobate de lithium le long de ses nanoguides d'ondes.

"Nous utilisons un modèle périodique avec un défaut artificiel au milieu, qui fait basculer de manière déterministe le processus non linéaire de la génération de deuxième harmonique (SHG) à l'amplification paramétrique optique (OPA)", Qiushi Guo, chercheur postdoctoral et auteur principal de l'article expliqué. "En ajoutant un coupleur sélectif en longueur d'onde avant ce défaut, puisque les impulsions d'entrée à faible énergie ne conduisent pas à un SHG efficace dans la première moitié du guide d'ondes, elles seront supprimées par le coupleur linéaire. Cependant, les impulsions à haute énergie conduisent à un SHG efficace. avant le coupleur et ne sera donc pas abandonné par le coupleur, car l'énergie d'entrée sera stockée dans la longueur d'onde de deuxième harmonique de l'entrée. Après le défaut, le processus OPA ramène le signal à la longueur d'onde d'entrée."

Lors des premières évaluations, les chercheurs ont découvert que leur conception permettait une commutation tout optique ultrarapide, tout en ne consommant que des femtojoules d'énergie. Plus précisément, leur appareil a atteint des énergies de commutation ultra-faibles jusqu'à 80 fJ, avec un temps de commutation le plus rapide d'environ 46 fs et un produit énergie-temps le plus faible de 3,7 × 10 ⁻²⁷ J s en photonique intégrée.

"La conception de notre appareil est très différente des commutateurs tout optiques précédents, principalement en raison de la façon dont nous avons conçu l'accord de quasi-phase et de la façon dont nous pourrions utiliser des impulsions ultra-courtes, et les performances qui en résultent sont extraordinaires", a déclaré Marandi. "C'est l'un des moyens les plus optimaux de réaliser un séparateur optique non linéaire. Cependant, nous n'avons pas l'habitude de penser au traitement de l'information de cette manière. Par exemple, pour la communication, le moyen le plus largement utilisé pour emballer des informations sur des signaux optiques est multiplexage en longueur d'onde, qui n'est pas vraiment compatible avec ce mécanisme de commutation."

Le commutateur créé par les chercheurs est particulièrement adapté à ce que l'on appelle le multiplexage temporel, une technique consistant à regrouper des informations dans un signal optique pour la communication et le traitement de l'information. La capacité de l'appareil à prendre en charge ce schéma de multiplexage pourrait ouvrir des possibilités sans précédent dans ce domaine, en tirant parti de la vitesse ultra-rapide et d'autres qualités avantageuses de l'optique.

"Le traitement de l'information avec des fréquences d'horloge THz pourrait être l'une des implications importantes de notre travail", a déclaré Marandi. "Les possibilités de la nanophotonique ultra-rapide au niobate de lithium sont écrasantes."

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs démontrent le vaste potentiel des dispositifs photoniques non linéaires intégrés. À l'avenir, cela pourrait aider à repenser la conception des technologies photoniques et optiques à la fois au niveau de l'appareil et du système.

Dans leurs prochaines études, Marandi et ses collègues prévoient de continuer à développer des appareils hautement performants dotés de fonctionnalités uniques et innovantes. Leur espoir est de contribuer à la création de circuits et de systèmes nanophotoniques ultrarapides à grande échelle.

"Nous sommes également ravis d'utiliser notre séparateur non linéaire comme cœur d'un laser à verrouillage de mode intégré", a ajouté Marandi. "Le séparateur peut agir comme un" absorbeur saturable ", qui est le principal élément constitutif du verrouillage en mode passif et a été difficile à réaliser en photonique intégrée. L'absorption saturable efficace dans notre appareil a une vitesse et une efficacité énergétique extraordinaires, et son la conception est compatible avec les lasers intégrés." + Explorer plus loin

Un nouveau commutateur optique pourrait conduire à un traitement ultra-rapide du signal tout optique

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