Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé de minuscules engrenages en germanium pour générer un vortex de lumière tordue qui tourne autour de son axe de déplacement un peu comme un tire-bouchon. Parce que le germanium est compatible avec le silicium utilisé pour fabriquer des puces informatiques, la nouvelle source de lumière pourrait être utilisée pour augmenter la quantité de données pouvant être transmises avec l'informatique et la communication optiques basées sur des puces.

Les chercheurs, de l'Université de Southampton au Royaume-Uni, et Université de Tokyo, Université de technologie de Toyohashi et Hitachi Ltd., tout au Japon, décrire les nouveaux engins électroluminescents dans le journal The Optical Society (OSA) Optique Express . Avec un rayon d'un micron ou moins, 250, 000 des engrenages pourraient être emballés dans un seul millimètre carré d'une puce informatique.

Il y a beaucoup d'intérêt à générer de la lumière qui est tordue, ou a un moment angulaire orbital, en raison de ses avantages pour les communications et l'informatique. Aujourd'hui, la lumière est utilisée pour transporter des informations en faisant varier le nombre de photons émis ou en basculant entre les deux états de polarisation de la lumière. Avec une lumière tordue, chaque torsion peut représenter une valeur ou une lettre différente, permettant l'encodage de beaucoup plus d'informations en utilisant moins de lumière.

"Nos nouveaux micro-engrenages ont le potentiel pour un laser qui peut être intégré sur un substrat de silicium - le dernier composant nécessaire pour créer un circuit optique intégré sur un ordinateur, " a déclaré le premier auteur du journal Abdelrahman Al-Attili, de l'Université de Southampton. "Ces minuscules circuits optiques utilisent une lumière torsadée pour transmettre de grandes quantités de données."

Utiliser la contrainte pour améliorer l'émission de lumière

Il a été impossible de réaliser une source lumineuse miniaturisée utilisable sur silicium, le matériau couramment utilisé pour fabriquer les puces informatiques et les composants associés, parce que les propriétés du matériau ont conduit à une faible efficacité de génération de lumière. Bien que le germanium ait des limitations similaires, appliquer une contrainte en l'étirant peut améliorer son efficacité d'émission de lumière.

"Précédemment, la contrainte qui pouvait être appliquée au germanium n'était pas assez importante pour créer efficacement de la lumière sans dégrader le matériau, " a déclaré Al-Attili. " Notre nouvelle conception de micro-engrenage aide à surmonter ce défi. "

La nouvelle conception comporte des micro-engrenages autoportants sur les bords afin qu'ils puissent être étirés par un film d'oxyde déposé sur les structures. Cela permet d'appliquer une contrainte de traction sans casser la structure cristalline du germanium. Les engrenages reposent sur un socle en silicium qui le relie au sommet du substrat en silicium et permet à la chaleur de se dissiper pendant le fonctionnement.

Pour démontrer leur nouveau design, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour fabriquer les caractéristiques physiques très fines qui forment les dents des engrenages. Ils ont ensuite illuminé les engrenages avec un laser vert standard qui n'émettait pas de lumière tordue. Une fois que le micro-engrenage a absorbé la lumière verte, il génère ses propres photons qui circulent autour des bords, formant une lumière tordue qui est réfléchie verticalement hors de l'engrenage par les dents périodiques.

Simulations optiques de précision

Les chercheurs ont testé et peaufiné leur conception à l'aide de simulations informatiques qui modélisent la façon dont la lumière se propage dans les engrenages sur des nanosecondes ou même sur des périodes de temps plus courtes. En comparant l'émission lumineuse du prototype avec les résultats de la simulation informatique, ils ont pu confirmer que les engrenages généraient une lumière tordue.

"Nous pouvons concevoir précisément notre appareil pour contrôler le nombre de rotations par longueur d'onde de propagation et la longueur d'onde de la lumière émise, ", a déclaré Al-Attili.

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer encore l'efficacité de l'émission lumineuse des micro-engrenages en germanium. En cas de succès, cette technologie permettrait d'intégrer des milliers de lasers sur une puce de silicium pour transmettre des informations.

"Les technologies de fabrication du silicium qui ont été développées pour fabriquer des appareils électroniques peuvent maintenant être appliquées pour fabriquer divers dispositifs optiques, ", a déclaré Al-Attili. "Nos micro-engrenages ne sont qu'un exemple de la façon dont ces capacités peuvent être utilisées pour fabriquer des dispositifs à l'échelle nanométrique et microscopique."