Des chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions ont développé une méthode de fabrication d'appareils photoniques, similaire aux appareils électroniques mais basée sur la lumière plutôt que sur l'électricité, qui peuvent se plier et s'étirer sans dommage. Les appareils pourraient trouver des utilisations dans les câbles pour connecter des appareils informatiques, ou dans des systèmes de diagnostic et de surveillance qui pourraient être fixés à la peau ou implantés dans le corps, fléchissant facilement avec le tissu naturel.

Les résultats, qui impliquent l'utilisation d'un type spécialisé de verre appelé chalcogénure, sont décrits dans deux articles du professeur agrégé du MIT Juejun Hu et de plus d'une douzaine d'autres au MIT, l'Université de Floride centrale, et des universités en Chine et en France. L'article devrait être publié prochainement dans Lumière :science et applications .

Hu, qui est le professeur agrégé Merton C. Flemings en science et génie des matériaux, dit que beaucoup de gens sont intéressés par la possibilité de technologies optiques qui peuvent s'étirer et se plier, en particulier pour les applications telles que les dispositifs de surveillance montés sur la peau qui pourraient détecter directement les signaux optiques. De tels dispositifs pourraient, par exemple, détecter simultanément la fréquence cardiaque, taux d'oxygène dans le sang, et même la pression artérielle.

Les dispositifs photoniques traitent directement les faisceaux lumineux, utilisant des systèmes de LED, lentilles, et des miroirs fabriqués avec les mêmes types de procédés que ceux utilisés pour fabriquer des puces électroniques. L'utilisation de faisceaux lumineux plutôt que d'un flux d'électrons peut présenter des avantages pour de nombreuses applications; si les données d'origine sont basées sur la lumière, par exemple, le traitement optique évite la nécessité d'un processus de conversion.

Mais la plupart des dispositifs photoniques actuels sont fabriqués à partir de matériaux rigides sur des substrats rigides, Hu dit, et ont donc un « décalage inhérent » pour les applications qui « devraient être douces comme la peau humaine ». Mais la plupart des matériaux doux, y compris la plupart des polymères, avoir un faible indice de réfraction, ce qui conduit à une faible capacité à confiner un faisceau lumineux.

Au lieu d'utiliser des matériaux aussi flexibles, Hu et son équipe ont adopté une nouvelle approche :ils ont formé le matériau rigide - dans ce cas une fine couche d'un type de verre appelé chalcogénure - en une bobine en forme de ressort. Tout comme l'acier peut être fait pour s'étirer et se plier lorsqu'il est transformé en un ressort, l'architecture de cette bobine de verre lui permet de s'étirer et de se plier librement tout en conservant ses propriétés optiques souhaitables.

"Vous vous retrouvez avec quelque chose d'aussi flexible que du caoutchouc, qui peut se plier et s'étirer, et a toujours un indice de réfraction élevé et est très transparent, " dit Hu. Des tests ont montré que de telles configurations en forme de ressort, réalisé directement sur un substrat polymère, peuvent subir des milliers de cycles d'étirement sans dégradation détectable de leurs performances optiques. L'équipe a produit une variété de composants photoniques, interconnectés par le flexible, guides d'ondes en forme de ressort, le tout dans une matrice en résine époxy, qui a été rendu plus rigide près des composants optiques et plus flexible autour des guides d'ondes.

D'autres types de photonique étirable ont été fabriqués en incorporant des nanotiges d'un matériau plus rigide dans une base polymère, mais ceux-ci nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires et ne sont pas compatibles avec les systèmes photoniques existants, dit Hu.

Si flexible, les circuits photoniques extensibles pourraient également être utiles pour les applications où les dispositifs doivent se conformer aux surfaces inégales d'un autre matériau, comme dans les jauges de contrainte. La technologie optique est très sensible aux contraintes, selon Hu, et pourrait détecter des déformations de moins d'un centième de 1 pour cent.

Cette recherche est encore à ses débuts; L'équipe de Hu n'a démontré jusqu'à présent qu'un seul appareil à la fois. "Pour que ce soit utile, nous devons démontrer tous les composants intégrés sur un seul appareil, " dit-il. Des travaux sont en cours pour développer la technologie à ce point afin qu'elle puisse être appliquée commercialement, ce qui, selon Hu, pourrait prendre encore deux à trois ans.

Dans un autre article publié la semaine dernière dans Photonique de la nature , Hu et ses collaborateurs ont également développé une nouvelle façon d'intégrer des couches de photonique, fait de verre chalcogénure et de matériaux bidimensionnels tels que le graphène, avec des circuits photoniques semi-conducteurs conventionnels. Les procédés existants pour intégrer de tels matériaux nécessitent qu'ils soient réalisés sur une surface puis décollés et transférés sur la plaquette semi-conductrice, ce qui ajoute une complexité considérable au processus. Au lieu, le nouveau procédé permet de fabriquer les couches directement sur la surface du semi-conducteur, à température ambiante, permettant une fabrication simplifiée et un alignement plus précis.

Le procédé peut également utiliser le matériau chalcogénure comme « couche de passivation, " pour protéger les matériaux 2-D de la dégradation causée par l'humidité ambiante, et comme moyen de contrôler les caractéristiques optoélectroniques des matériaux 2D. La méthode est générique et pourrait être étendue à d'autres matériaux 2D émergents en plus du graphène, étendre et accélérer leur intégration avec les circuits photoniques, dit Hu.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.