Les sources qui intègrent deux concepts de matériaux optiques artificiels peuvent conduire à des communications "Li-Fi" ultrarapides.

Dans de nombreuses applications, Les réseaux optiques Li-Fi à travers l'air offrent potentiellement des avantages majeurs par rapport au Wi-Fi et aux autres systèmes de radiofréquence. Les réseaux Li-Fi peuvent fonctionner à des vitesses extrêmement élevées. Ils peuvent exploiter un spectre de fréquences extrêmement large. Ils évitent les problèmes d'interférences qui affligent les systèmes radiofréquences, qui sont particulièrement problématiques dans les environnements de haute sécurité tels que les cockpits d'avion et les centrales nucléaires. Ils sont moins ouverts aux pirates. Et bien que leur portée soit relativement limitée, ils n'ont pas besoin de connexions en visibilité directe pour fonctionner, dit Evgenii Narimanov, un professeur de l'Université Purdue en génie électrique et informatique.

Les réseaux Li-Fi d'aujourd'hui ne peuvent pas pleinement atteindre tous ces avantages potentiels car ils manquent de sources lumineuses appropriées, il a dit.

Mais des conceptions qui intègrent deux concepts de matériaux optiques dans des "hypercristaux photoniques" peuvent combler cette lacune.

Narimanov a proposé ce concept pour la première fois en 2014. Ce mois-ci, lui et ses collègues du City College de New York ont ​​rapporté des démonstrations d'hypercristaux photoniques avec des taux et des intensités d'émission lumineuse considérablement accrus dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Les hypercristaux photoniques combinent les propriétés des métamatériaux et des cristaux photoniques, à la fois des matériaux optiques "artificiels" aux propriétés que l'on ne trouve pas habituellement dans la nature, dit Narimanov.

Les métamatériaux sont créés à partir de blocs de construction artificiels beaucoup plus petits que la longueur d'onde de la lumière, tandis que dans les cristaux photoniques, la taille de la "cellule unitaire" est comparable à cette longueur d'onde. Si ces deux types de matériaux composites présentent généralement des propriétés très différentes, les hypercristaux photoniques les combinent tous au sein d'une même structure.

Les hypercristaux photoniques sont basés sur un type appelé métamatériaux hyperboliques, qui peut être construit avec des couches alternées de métal et de matériaux diélectriques, où le courant électrique ne peut voyager que le long des couches métalliques.

"Généralement, pour la lumière, les métaux et les diélectriques sont fondamentalement différents :la lumière peut voyager dans les diélectriques, mais est réfléchi par les métaux, " a dit Narimanov. " Mais un métamatériau hyperbolique se comporte comme du métal le long des couches et comme un diélectrique dans la direction perpendiculaire aux couches, à la fois. Pour la lumière, le milieu hyperbolique est, donc, le troisième état de la matière, tout à fait différent des métaux et diélectriques habituels."

Parmi les propriétés intéressantes que cette structure produit, le métamatériau accueille un grand nombre d'états photoniques, permettant une émission lumineuse spontanée à des taux extrêmement élevés.

"Pour une source lumineuse, le problème est que cette lumière dans le métamatériau hyperbolique ne peut pas sortir, " dit Narimanov.

Entrez dans les cristaux photoniques, des nanostructures périodiques capables de manipuler les interférences optiques pour optimiser la transmission de la lumière.

Dans les hypercristaux photoniques intégrés présentés dans l'article de PNAS, le métamatériau hyperbolique est constitué d'une alternance de couches d'argent (le métal) et d'oxyde d'aluminium (le diélectrique). Des réseaux hexagonaux de trous fraisés dans les couches créent le cristal photonique. Dans le design, la lumière visible est émise par des points quantiques (nanoparticules semi-conductrices pouvant émettre de la lumière) noyés dans l'une des couches qui forment le métamatériau hyperbolique.

Le résultat :des niveaux extrêmement élevés de contrôle et d'amélioration de la lumière émise.

"Ces hypercristaux photoniques ont été fabriqués au Centre de recherche scientifique avancée de la City University of New York en utilisant des techniques standard de nano- et micro-fabrication telles que l'évaporation en couche mince et le broyage par faisceau d'ions focalisé, " a déclaré Tal Galfsky, un étudiant diplômé du CCNY qui est l'auteur principal de l'article PNAS. « Ces techniques sont évolutives avec les capacités de l'industrie moderne. »

Vinod Menon, professeur de physique au CCNY, est l'auteur principal de l'article, et Jie Gu, étudiant diplômé du CCNY, ont également contribué aux travaux.

Les travaux rapportés dans PNAS démontrent que « à un niveau fondamental, le problème de la conception des hypercristaux photoniques a été résolu, " dit Narimanov.

Il met en garde, cependant, que d'importants défis techniques doivent être surmontés avant que ces dispositifs puissent être commercialisés. Parmi ces barrières, les dispositifs de démonstration sont pompés optiquement par un laser, mais les versions commerciales devront être entraînées électriquement et incorporer des LED semi-conductrices ou organiques, il a dit.

À mesure qu'ils mûrissent, les hypercristaux photoniques peuvent également remplir de nombreux autres rôles exigeants dans l'optoélectronique ultrarapide. L'une des voies de recherche les plus prometteuses, Narimanov a suggéré, est de créer des versions plus efficaces des canons à photons uniques utilisés dans le traitement de l'information quantique.