Image microscopique d'une puce. En haut à gauche :modulateur fonctionnel avec contacts électriques; à droite :modulateur de test sans contact électrique; ci-dessous :composants de test. Crédit :ETH Zurich
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé le premier composant de circuit opto-électronique qui fonctionne sans verre et est plutôt en métal. Le composant, appelé modulateur, convertit les signaux de données électriques en signaux optiques. Il est plus petit et plus rapide que les modulateurs actuels, et beaucoup plus facile et moins cher à faire.
Les composants optiques pour la microélectronique doivent être en verre. Les métaux ne conviennent pas à cet usage, puisque les données optiques ne peuvent se propager que sur une distance d'environ 100 micromètres. C'était l'opinion générale des scientifiques jusqu'à récemment. Une équipe de chercheurs dirigée par Juerg Leuthold, professeur au Département de technologie de l'information et de génie électrique, a maintenant réussi à faire ce que l'on croyait impossible et a développé un composant de traitement de la lumière en métal. Les chercheurs ont présenté leurs découvertes dans le dernier numéro de la revue Science .
Ils ont accompli cet exploit en construisant un composant suffisamment petit :à seulement 3 x 36 micromètres, il se situe dans une plage de tailles dans laquelle les informations optiques et électriques peuvent se propager dans les métaux.
Composant pour réseaux fibre optique
Le composant est un modulateur :les modulateurs convertissent les signaux de données électriques en signaux optiques. Ils sont installés dans les routeurs Internet modernes utilisés pour les réseaux à fibre optique et permettent des connexions de données à fibre optique entre les unités informatiques des centres de données. Cependant, les composants standards utilisés aujourd'hui fonctionnent différemment des nouveaux modulateurs.
Le nouveau composant fonctionne en dirigeant la lumière d'une source à fibre optique vers le modulateur, faisant osciller les électrons à sa surface. Les experts appellent cela une oscillation de plasmon de surface. Cette oscillation peut être modifiée indirectement par des impulsions de données électriques. Lorsque l'oscillation des électrons est reconvertie en lumière, l'information électrique est maintenant codée sur le signal optique. Cela signifie que les informations sont converties d'une impulsion de données électrique en une impulsion de données optique qui peut être transmise via des fibres optiques.
Représentation schématique du modulateur métallique :A gauche :un faisceau lumineux continu frappe un treillis métallique qui dévie la lumière sur la puce. A droite :une impulsion de données optique sort du composant. Crédit :ETH Zurich
Plus rapide et plus petit
Il y a deux ans, Leuthold et ses collègues ont développé l'un de ces modulateurs plasmoniques. À l'époque, c'était le modulateur le plus petit et le plus rapide jamais construit, mais la puce semi-conductrice avait encore divers composants en verre.
En remplaçant tous les composants en verre par des métalliques, les scientifiques ont réussi à construire un modulateur encore plus petit qui fonctionne à la vitesse la plus élevée. « Dans les métaux, les électrons peuvent se déplacer à pratiquement n'importe quelle vitesse, alors que la vitesse dans le verre est limitée en raison de ses propriétés physiques, " dit Masafumi Ayata, doctorant du groupe Leuthold et auteur principal de l'étude. Dans l'expérience, les chercheurs ont réussi à transmettre des données à 116 gigabits par seconde. Ils sont convaincus qu'avec de nouvelles améliorations, des taux de transfert de données encore plus élevés seront possibles.
Gravé à partir d'une couche d'or
Le prototype de modulateur testé par les chercheurs de l'ETH est constitué d'une couche d'or qui repose sur une surface de verre. Les scientifiques ont souligné que le verre n'a aucune fonction. "Au lieu de la couche de verre, nous pourrions également utiliser d'autres surfaces lisses appropriées, " dit Leuthold. Il pourrait également être possible d'utiliser du cuivre moins cher au lieu de l'or pour les applications industrielles. Le point important est qu'un seul revêtement métallique est nécessaire pour les nouveaux modulateurs. " Cela les rend beaucoup plus faciles et moins chers à fabriquer, " dit Leuthold.
Les chercheurs travaillent déjà avec un partenaire industriel pour mettre en pratique le nouveau modulateur, et des discussions avec d'autres partenaires sont en cours. Cependant, Leuthold pense qu'un développement supplémentaire peut être nécessaire avant que la technologie ne soit prête pour le marché; par exemple, il s'attend à ce que la perte actuelle d'intensité du signal pendant la modulation puisse être réduite davantage.
Pour ordinateurs et véhicules autonomes
Le nouveau modulateur pourrait un jour être utilisé non seulement pour des applications de télécommunications, mais aussi pour les ordinateurs. "L'industrie informatique envisage d'utiliser la fibre optique pour transférer des données entre les puces individuelles à l'intérieur des ordinateurs, " dit Leuthold. Cependant, cela nécessiterait de minuscules modulateurs - tels que Leuthold et son équipe ont développé.
Finalement, il est également envisageable que les modulateurs puissent être utilisés dans des écrans - y compris des écrans pliables - et des capteurs optiques, tels que ceux du système Lidar pour la mesure de distance qui sont utilisés dans les voitures (semi-) autonomes.
