Les fibres optiques sont notre système nerveux global, transporter des téraoctets de données à travers la planète en un clin d'œil.

Comme cette information voyage à la vitesse de la lumière à travers le monde, l'énergie des ondes lumineuses rebondissant à l'intérieur des fibres de silice et de polymère crée de minuscules vibrations qui conduisent à des paquets de rétroaction d'ondes sonores ou acoustiques, connu sous le nom de « phonons ».

Cette rétroaction provoque la dispersion de la lumière, un phénomène connu sous le nom de "diffusion Brillouin".

Pour la plupart des secteurs de l'électronique et des communications, cette diffusion de la lumière est une nuisance, réduire la puissance du signal. Mais pour un groupe émergent de scientifiques, ce processus de rétroaction est adapté pour développer une nouvelle génération de circuits intégrés qui promettent de révolutionner nos réseaux 5G et à large bande, capteurs, communication par satellite, systèmes radars, systèmes de défense et même la radioastronomie.

"Il n'est pas exagéré de dire qu'il y a une renaissance de la recherche dans ce processus en cours, " a déclaré le professeur Ben Eggleton, Directeur du Nano Institute de l'Université de Sydney et co-auteur d'un article de synthèse publié aujourd'hui dans Photonique de la nature .

"L'application de cette interaction entre la lumière et le son sur une puce offre l'opportunité d'une révolution de troisième onde dans les circuits intégrés."

Les découvertes de la microélectronique après la Seconde Guerre mondiale ont représenté la première vague de circuits intégrés, ce qui a conduit à l'omniprésence des appareils électroniques qui reposent sur des puces de silicium, comme le téléphone portable. La deuxième vague est arrivée au tournant de ce siècle avec le développement de systèmes d'électronique optique qui sont devenus l'épine dorsale d'immenses centres de données à travers le monde.

D'abord l'électricité puis la lumière. Et maintenant, la troisième vague est avec des ondes sonores.

Le professeur Eggleton est un chercheur de renommée mondiale qui étudie comment appliquer cette interaction photon-phonon pour résoudre des problèmes du monde réel. Son équipe de recherche basée au Sydney Nanoscience Hub et à la School of Physics a produit plus de 70 articles sur le sujet.

Travailler avec d'autres leaders mondiaux dans le domaine, il a publié aujourd'hui un article de synthèse dans Photonique de la nature décrivant l'histoire et le potentiel de ce que les scientifiques appellent « la photonique intégrée de Brillouin ». Ses co-auteurs sont le professeur Christopher Poulton de l'Université de technologie de Sydney; le professeur Peter Rakich de l'Université de Yale; le professeur Michael Steel à l'Université Macquarie; et le professeur Gaurav Bahl de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Le professeur Bahl a déclaré:"Cet article décrit la riche physique qui émerge d'une interaction aussi fondamentale que celle entre la lumière et le son, que l'on retrouve dans tous les états de la matière.

"Non seulement voyons-nous d'immenses applications technologiques, mais aussi la richesse des investigations scientifiques pures qui sont rendues possibles. La diffusion Brillouin de la lumière nous aide à mesurer les propriétés des matériaux, transformer la façon dont la lumière et le son se déplacent à travers les matériaux, refroidir les petits objets, mesurer l'espace, temps et inertie, et même transporter des informations optiques."

Le professeur Poulton a déclaré :« La grande avancée ici réside dans le contrôle simultané des ondes lumineuses et sonores à de très petites échelles.

"Ce type de contrôle est incroyablement difficile, notamment parce que les deux types de vagues ont des vitesses extrêmement différentes. Les énormes progrès de la fabrication et de la théorie décrits dans cet article démontrent que ce problème peut être résolu, et que les puissantes interactions entre la lumière et le son telles que la diffusion Brillouin peuvent désormais être exploitées sur une seule puce. Cela ouvre la porte à toute une série d'applications qui connectent l'optique et l'électronique."

Le professeur Steel a déclaré :« L'un des aspects fascinants de la technologie Brillouin intégrée est qu'elle couvre la gamme des découvertes fondamentales dans les interactions son-lumière au niveau quantique à des dispositifs très pratiques, tels que les filtres flexibles dans les communications mobiles."

La diffusion de la lumière causée par son interaction avec les phonons acoustiques a été prédite par le physicien français Léon Brillouin en 1922.

Informations d'arrière-plan

Dans les années 1960 et 1970, un processus intéressant a été découvert où l'on pouvait créer une boucle de rétroaction améliorée entre les photons (lumière) et les phonons (son). C'est ce qu'on appelle la diffusion Brillouin stimulée (SBS).

Dans ce processus SBS, les ondes lumineuses et sonores sont « couplées », un processus renforcé par le fait que la longueur d'onde de la lumière et du son sont similaires, bien que leurs vitesses soient éloignées de plusieurs ordres de grandeur :la lumière parcourt 100, 000 fois plus rapide que le son, ce qui explique pourquoi vous voyez des éclairs avant d'entendre le tonnerre.

Mais pourquoi voudriez-vous augmenter la puissance de cet effet de rétroaction Brillouin ?

« Gérer les informations sur une puce électronique peut consommer beaucoup d'énergie et produire beaucoup de chaleur, " dit le professeur Eggleton.

« Alors que notre dépendance aux données optiques a augmenté, le processus d'interaction de la lumière avec les systèmes microélectroniques est devenu problématique. Le processus SBS nous offre une toute nouvelle façon d'intégrer des informations optiques dans un environnement de puce en utilisant des ondes sonores comme tampon pour ralentir les données sans la chaleur produite par les systèmes électroniques.

"Plus loin, les circuits intégrés utilisant SBS offrent la possibilité de remplacer des composants dans les systèmes de vol et de navigation qui peuvent être 100 ou 1000 fois plus lourds. Ce ne sera pas un exploit anodin."

Réduire la complexité

Comment contenir le processus d'interaction lumière-son a été le point de friction, mais comme le professeur Eggleton et ses collègues le soulignent dans Photonique de la nature aujourd'hui, la dernière décennie a vu d'énormes progrès.

En 2017, les chercheurs Birgit Stiller et Moritz Merklein du groupe Eggleton de l'Université de Sydney ont annoncé le premier transfert mondial de lumière en informations acoustiques sur une puce. Pour souligner la différence entre les vitesses de la lumière et du son, cela a été décrit comme « stocker la foudre à l'intérieur du tonnerre ».

Le Dr Amol Choudhary a approfondi ce travail en 2018, développer une technique de récupération d'informations à base de puces qui élimine le besoin de systèmes de traitement encombrants.

"Il s'agit de réduire la complexité de ces systèmes afin que nous puissions développer un cadre conceptuel général pour un système intégré complet, " dit le professeur Eggleton.

L'industrie et le gouvernement s'intéressent de plus en plus au déploiement de ces systèmes.

Sydney Nano a récemment signé un partenariat avec la Royal Australian Air Force pour travailler avec son programme Plan Jericho afin de révolutionner la capacité de détection de la RAAF. Des entreprises telles que Lockheed Martin et Harris Corporation travaillent également avec le groupe Eggleton.

Les défis à venir

Il y a des obstacles à surmonter avant que ce système intégré à l'échelle de la puce puisse être déployé commercialement, mais le gain en termes de taille, le poids et la puissance (SWAP) en vaudront la peine, dit le professeur Eggleton.

Le premier défi est de développer une architecture qui intègre des processeurs hyperfréquences et radiofréquences avec des interactions optiques-acoustiques. Comme le montrent les résultats du groupe Eggleton, il y a eu de grands progrès pour y parvenir.

Un autre défi consiste à réduire le « bruit » (ou les interférences) dans le système causé par la diffusion de la lumière indésirable qui détériore le rapport signal/bruit. Une proposition est d'avoir des puces fonctionnant à des températures cryogéniques proches du zéro absolu. Bien que cela ait des implications pratiques importantes, il pourrait aussi mettre en jeu des processus quantiques, offrant un meilleur contrôle de l'interaction photon-phonon.

Il y a aussi une enquête en direct sur les matériaux les plus appropriés sur lesquels construire ces systèmes intégrés. Le silicium a ses attraits évidents étant donné que la plupart des microélectroniques sont construits à l'aide de ce bon marché, matière abondante.

Cependant, la silice utilisée dans les fibres optiques lorsqu'elle est couplée au substrat de silicium fait que des informations peuvent fuir compte tenu de la similitude des matériaux.

Trouver des matériaux suffisamment élastiques et inélastiques pour contenir les ondes lumineuses et sonores tout en leur permettant d'interagir est une avenue suggérée. Certains groupes de recherche utilisent du chalcogénure, un substrat de verre mou à indice de réfraction élevé et à faible rigidité pouvant confiner les ondes optiques et élastiques.

Co-auteur de la revue, Professeur Steel de l'Université Macquarie, a déclaré :« À ce stade, tous les systèmes matériels ont leurs forces et leurs faiblesses, et c'est encore un domaine de recherche fructueux.

Le professeur Eggleton a déclaré :"Ce nouveau paradigme dans le traitement du signal utilisant des ondes lumineuses et des ondes sonores ouvre de nouvelles opportunités pour la recherche fondamentale et les avancées technologiques."