Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et du King's College de Londres ont levé l'obstacle qui avait empêché la création de nanolasers à commande électrique pour circuits intégrés. L'approche, rapporté dans un article récent de Nanophotonique , permet une conception de source de lumière cohérente à l'échelle non seulement des centaines de fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain, mais encore plus petite que la longueur d'onde de la lumière émise par le laser. Cela jette les bases d'un transfert de données optique ultrarapide dans les microprocesseurs multicœurs qui devraient émerger dans un proche avenir.

Les signaux lumineux ont révolutionné les technologies de l'information dans les années 1980, quand les fibres optiques ont commencé à remplacer les fils de cuivre, rendre la transmission des données plus rapide. Étant donné que la communication optique repose sur la lumière (ondes électromagnétiques d'une fréquence de plusieurs centaines de térahertz), elle permet de transférer des téraoctets de données chaque seconde via une seule fibre, interconnexions électriques largement supérieures.

La fibre optique est à la base de l'Internet moderne, mais la lumière pourrait faire beaucoup plus pour nous. Il pourrait être mis en action même à l'intérieur des microprocesseurs des supercalculateurs, postes de travail, smartphone, et d'autres appareils. Cela nécessite d'utiliser des lignes de communication optiques pour interconnecter les composants purement électroniques, tels que les cœurs de processeur. Par conséquent, de grandes quantités d'informations pourraient être transférées à travers la puce presque instantanément.

La suppression de la limitation de la transmission des données permettra d'améliorer directement les performances du microprocesseur en empilant davantage de cœurs de processeur, au point de créer un 1, processeur à 000 cœurs qui serait pratiquement 100 fois plus rapide que son homologue à 10 cœurs, qui est poursuivi par les géants de l'industrie des semi-conducteurs IBM, HP, Intel, Oracle, et d'autres. Cela permettra à son tour de concevoir un véritable supercalculateur sur une seule puce.

Le défi consiste à connecter l'optique et l'électronique à l'échelle nanométrique. Pour y parvenir, les composants optiques ne peuvent pas être plus grands que des centaines de nanomètres, qui est environ 100 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Cette restriction de taille s'applique également aux lasers sur puce, qui sont nécessaires pour convertir les informations des signaux électriques en impulsions optiques qui transportent les bits des données.

Cependant, la lumière est une sorte de rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde de plusieurs centaines de nanomètres. Et le principe d'incertitude quantique dit qu'il y a un certain volume minimum que les particules lumineuses, ou photons, peut être localisé. Il ne peut pas être plus petit que le cube de la longueur d'onde. En termes bruts, si on fait un laser trop petit, les photons n'y rentreront pas. Cela dit, il existe des moyens de contourner cette restriction sur la taille des appareils optiques, qui est connu comme la limite de diffraction. La solution est de remplacer les photons par des plasmons-polaritons de surface, ou SPP.

Les SPP sont des oscillations collectives d'électrons confinés à la surface d'un métal et interagissant avec le champ électromagnétique environnant. Seuls quelques métaux connus sous le nom de métaux plasmoniques sont bons pour travailler avec les SPP :l'or, argent, le cuivre, et aluminium. Tout comme les photons, Les SPP sont des ondes électromagnétiques, mais à la même fréquence, ils sont beaucoup mieux localisés, c'est-à-dire ils occupent moins d'espace. L'utilisation de SPP au lieu de photons permet de "compresser" la lumière et ainsi de dépasser la limite de diffraction.

La conception de lasers plasmoniques véritablement nanométriques est déjà possible avec les technologies actuelles. Cependant, ces nanolasers sont pompés optiquement, C'est, ils doivent être éclairés avec des lasers externes encombrants et de haute puissance. Cela peut très bien être pratique pour des expériences scientifiques, mais pas en dehors du laboratoire. Une puce électronique destinée à la production de masse et aux applications réelles doit incorporer des centaines de nanolasers et fonctionner sur une carte de circuit imprimé ordinaire. Un laser pratique doit être pompé électriquement, ou, en d'autres termes, alimenté par une batterie ordinaire ou une alimentation CC. Jusqu'à présent, ces lasers ne sont disponibles que sous forme d'appareils fonctionnant à des températures cryogéniques, qui ne convient pas à la plupart des applications pratiques, étant donné que le maintien du refroidissement à l'azote liquide n'est généralement pas possible.

Les physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et du King's College de Londres ont proposé une alternative au fonctionnement conventionnel du pompage électrique. Habituellement, le schéma de pompage électrique des nanolasers nécessite un contact ohmique en titane, chrome, ou un métal similaire. De plus, ce contact doit faire partie du résonateur, le volume où le rayonnement laser est généré. Le problème avec cela est que le titane et le chrome absorbent fortement la lumière, ce qui nuit aux performances du résonateur. De tels lasers souffrent d'un courant de pompage élevé et sont susceptibles de surchauffer. C'est pourquoi le besoin de refroidissement cryogénique émerge, avec tous les désagréments que cela comporte.

Le nouveau schéma proposé pour le pompage électrique est basé sur une double hétérostructure avec un contact tunnel Schottky. Il rend le contact ohmique avec son métal fortement absorbant redondant. Le pompage se produit maintenant à travers l'interface entre le métal plasmonique et le semi-conducteur, le long duquel les SPP se propagent. "Notre nouvelle approche de pompage permet d'amener le laser à commande électrique à l'échelle nanométrique, tout en conservant sa capacité à fonctionner à température ambiante. À la fois, contrairement aux autres nanolasers à pompage électrique, le rayonnement est effectivement dirigé vers un guide d'ondes photonique ou plasmonique, adapter le nanolaser aux circuits intégrés, " a commenté le Dr Dmitry Fedyanin du Center for Photonics and 2-D Materials du MIPT.

Le nanolaser plasmonique proposé par les chercheurs est plus petit, dans chacune de ses trois dimensions, que la longueur d'onde de la lumière qu'il émet. De plus, le volume occupé par les SPP dans le nanolaser est 30 fois plus petit que la longueur d'onde lumineuse au cube. Selon les chercheurs, leur nanolaser plasmonique à température ambiante pourrait être facilement encore plus petit, rendant ses caractéristiques encore plus impressionnantes, mais cela se ferait au prix de l'incapacité d'extraire efficacement le rayonnement dans un guide d'ondes de bus. Ainsi, alors qu'une miniaturisation supplémentaire rendrait le dispositif peu applicable aux circuits intégrés sur puce, il serait toujours pratique pour les capteurs chimiques et biologiques et la spectroscopie optique en champ proche ou l'optogénétique.

Malgré ses dimensions nanométriques, la puissance de sortie prévue du nanolaser s'élève à plus de 100 microwatts, qui est comparable à des lasers photoniques beaucoup plus gros. Une puissance de sortie aussi élevée permet à chaque nanolaser d'être utilisé pour transmettre des centaines de gigabits par seconde, éliminant l'un des obstacles les plus redoutables aux puces électroniques plus performantes. Et cela inclut toutes sortes d'appareils informatiques haut de gamme :processeurs de superordinateur, processeurs graphiques, et peut-être même quelques gadgets à inventer dans le futur.