Un réseau d'isolateurs optiques de 100 x 200 microns utilise le son pour produire une propagation unidirectionnelle de la lumière. Crédit :Benjamin Sohn
Des chercheurs de l'Illinois ont démontré que les ondes sonores peuvent être utilisées pour produire des diodes optiques ultraminiatures suffisamment petites pour tenir sur une puce informatique. Ces appareils, appelés isolateurs optiques, peut aider à résoudre les principaux problèmes de capacité de données et de taille du système pour les circuits intégrés photoniques, l'équivalent lumineux des circuits électroniques, qui sont utilisés pour l'informatique et les communications.
Les isolateurs sont des dispositifs non réciproques ou « unidirectionnels » similaires aux diodes électroniques. Ils protègent les sources laser des rétro-réflexions et sont nécessaires pour acheminer les signaux lumineux autour des réseaux optiques. Aujourd'hui, la technologie dominante pour produire de tels dispositifs non réciproques nécessite des matériaux qui changent leurs propriétés optiques en réponse aux champs magnétiques, les chercheurs ont dit.
"Il y a plusieurs problèmes avec l'utilisation de matériaux magnétiquement sensibles pour obtenir le flux de lumière unidirectionnel dans une puce photonique, " a déclaré Gaurav Bahl, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie et co-auteur de l'étude. " Premièrement, l'industrie n'a tout simplement pas la capacité de placer des aimants compacts sur une puce. Mais plus important, les matériaux nécessaires ne sont pas encore disponibles dans les fonderies photoniques. C'est pourquoi l'industrie a désespérément besoin d'une meilleure approche qui utilise uniquement des matériaux conventionnels et évite complètement les champs magnétiques. »
Dans une étude publiée dans la revue Photonique de la nature , les chercheurs expliquent comment ils utilisent le couplage minuscule entre la lumière et le son pour fournir une solution unique qui permet aux dispositifs non réciproques avec presque n'importe quel matériau photonique.
Cependant, la taille physique de l'appareil et la disponibilité des matériaux ne sont pas les seuls problèmes avec l'état de l'art actuel, les chercheurs ont dit.
"Les tentatives de laboratoire pour produire des isolateurs optiques magnétiques compacts ont toujours été entravées par une perte optique importante, " a déclaré Benjamin Sohn, étudiant diplômé et auteur principal. " L'industrie de la photonique ne peut pas se permettre cette perte liée aux matériaux et a également besoin d'une solution offrant une bande passante suffisante pour être comparable à la technique magnétique traditionnelle. Jusqu'à maintenant, il n'y a pas eu d'approche sans aimant qui soit compétitive."
Le nouvel appareil ne mesure que 200 sur 100 microns - environ 10, 000 fois plus petit qu'un centimètre carré - et en nitrure d'aluminium, un matériau transparent qui transmet la lumière et est compatible avec les fonderies photoniques. "Les ondes sonores sont produites d'une manière similaire à un haut-parleur piézoélectrique, utilisant de minuscules électrodes écrites directement sur le nitrure d'aluminium avec un faisceau d'électrons. Ce sont ces ondes sonores qui obligent la lumière à l'intérieur de l'appareil à se déplacer dans une seule direction. C'est la première fois qu'un isolateur sans aimant dépasse la bande passante du gigahertz, " a déclaré Sohn.
Les chercheurs cherchent des moyens d'augmenter la bande passante ou la capacité de données de ces isolateurs et sont convaincus qu'ils peuvent surmonter cet obstacle. Une fois perfectionné, ils envisagent des applications transformatrices dans les systèmes de communication photonique, gyroscope, systèmes GPS, chronométrage atomique et centres de données.
Benjamin Sohn, étudiant en sciences mécaniques et en génie de l'Illinois et auteur principal d'une nouvelle étude, détient un appareil qui utilise des ondes sonores pour produire des diodes optiques suffisamment petites pour tenir sur une puce informatique. Crédit :L. Brian Stauffer
"Les centres de données gèrent d'énormes quantités de trafic de données Internet et consomment de grandes quantités d'énergie pour la mise en réseau et pour garder les serveurs au frais, " a déclaré Bahl. " La communication basée sur la lumière est souhaitable car elle produit beaucoup moins de chaleur, ce qui signifie que beaucoup moins d'énergie peut être dépensée pour le refroidissement du serveur tout en transmettant beaucoup plus de données par seconde."
Outre le potentiel technologique, les chercheurs ne peuvent s'empêcher d'être fascinés par la science fondamentale derrière cette avancée.
"Dans la vie de tous les jours, nous ne voyons pas les interactions de la lumière avec le son, " dit Bahl. " La lumière peut traverser une vitre transparente sans rien faire d'étrange. Notre domaine de recherche a trouvé que la lumière et le son font, En réalité, interagir de manière très subtile. Si vous appliquez les bons principes d'ingénierie, vous pouvez secouer un matériau transparent de la bonne manière pour améliorer ces effets et résoudre ce défi scientifique majeur. Cela semble presque magique."
