Les chercheurs d'IBM ont réussi à guider efficacement la lumière visible à travers un fil de silicium, une étape importante dans l'exploration vers une nouvelle race de plus rapide, circuits logiques plus efficaces.

Depuis des décennies, la vitesse de nos ordinateurs a augmenté à un rythme soutenu. Le processeur du premier PC IBM sorti il ​​y a 40 ans, fonctionnait à une fréquence d'environ 5 millions de cycles d'horloge par seconde (4,77 MHz). Aujourd'hui, les processeurs de nos ordinateurs personnels fonctionnent environ 1000 fois plus vite.

Cependant, avec la technologie actuelle, ils ne sont pas susceptibles d'aller plus vite que cela.

Depuis 15 ans, la fréquence d'horloge des cœurs de processeur unique a calé à quelques gigahertz. Et l'approche ancienne et éprouvée consistant à entasser toujours plus de transistors sur une puce n'aidera plus à repousser cette limite. Du moins pas sans se ruiner en termes de consommation électrique.

Une issue à la stagnation pourrait se présenter sous la forme de circuits optiques dans lesquels l'information est codée en lumière plutôt qu'en électronique. En 2019, une équipe de recherche d'IBM et des partenaires universitaires ont construit le premier transistor tout optique ultrarapide au monde capable de fonctionner à température ambiante. L'équipe poursuit maintenant avec une autre pièce du puzzle, un guide d'onde en silicium qui relie de tels transistors, transportant de la lumière entre eux avec des pertes minimales.

Le câblage des transistors d'un circuit optique avec des guides d'ondes en silicium est une exigence importante pour rendre compact, puces hautement intégrées. C'est parce qu'il est plus facile de placer d'autres composants nécessaires tels que des électrodes à proximité immédiate si le guide d'ondes est en silicium. Les techniques utilisées à cette fin ont été affinées pendant des décennies dans l'industrie des semi-conducteurs.

Cependant, Le silicium étant un absorbeur notoirement puissant de la lumière visible, il est idéal pour capturer la lumière du soleil dans les panneaux photovoltaïques, mais un mauvais choix pour un guide d'ondes où l'absorption de la lumière signifie une perte de signal.

Faire une clôture pour confiner la lumière

Donc, les chercheurs d'IBM ont réfléchi à des moyens d'utiliser la technologie mature du silicium tout en contournant le problème de l'absorption. Leur solution implique des nanostructures appelées réseaux à contraste élevé avec un comportement frappant que certains membres de l'équipe avaient déjà découvert il y a plus de 10 ans, bien que pour une autre application.

Un réseau à contraste élevé se compose de "poteaux" de taille nanométrique alignés pour former une sorte de clôture qui empêche la lumière de s'échapper. Les poteaux ont un diamètre de 150 nanomètres et sont espacés de telle sorte que la lumière passant à travers les poteaux interfère de manière destructive avec la lumière passant entre les poteaux. Les interférences destructrices sont un phénomène bien connu par lequel des ondes oscillant en désynchronisation s'annulent en un point de l'espace. Il affecte la lumière, qui est une onde électromagnétique, tout comme le son et d'autres types d'ondes. Dans ce cas, l'interférence destructive fait en sorte qu'aucune lumière ne puisse "fuir" à travers le réseau. Au lieu, la majeure partie de la lumière est réfléchie à l'intérieur du guide d'ondes. Les chercheurs d'IBM ont également montré que l'absorption de la lumière à l'intérieur des poteaux eux-mêmes est minime. Tout cela se traduit par des pertes de seulement 13% le long d'un trajet de lumière de 1 millimètre à l'intérieur du guide d'ondes. A titre de comparaison :le long déjà d'un centième de cette distance (10 micromètres) dans un guide d'ondes en silicium pur sans les réseaux, les pertes s'élèveraient à 99,7 pour cent.

Simulations pour une conception précise des caillebotis

Sur son visage, l'idée de base derrière les grilles à contraste élevé semble simple. Cependant, c'était en effet surprenant lorsque les chercheurs ont découvert pour la première fois qu'ils pouvaient empêcher la lumière d'être absorbée par un matériau "sombre" comme le silicium.

De retour en 2010, lorsqu'ils ont observé pour la première fois l'effet de réseau, il s'est produit dans une microcavité laser qui a aidé car l'amplification de la lumière par le laser compenserait les pertes. Aussi, ils avaient la lumière frappant les grilles à près de 90 degrés, ce qui est un point idéal pour que l'effet de grille se déclenche. Mais maintenir les pertes faibles dans un guide d'ondes sans bénéficier du gain laser et à une incidence de lumière presque rasante était beaucoup plus difficile.

Pour s'assurer que la conception de leur grille serait à la hauteur de la tâche, l'équipe a effectué des simulations montrant comment la propagation de la lumière à l'intérieur du guide d'ondes changerait avec différentes dimensions de réseau. Ils ont découvert que le réseau fournirait un guidage efficace de la lumière sur une large bande de longueurs d'onde. Il leur suffisait de choisir le bon espacement entre les poteaux de la grille et de fabriquer les poteaux eux-mêmes à la bonne épaisseur avec une marge de précision de 15 nanomètres. En utilisant un procédé standard de fabrication de photonique sur silicium, ces exigences se sont avérées gérables. En réalité, les expériences ont confirmé ce que les simulations avaient prédit en termes de faible perte de lumière visible dans la plage comprise entre 550 et 650 nanomètres.

Avantages potentiels pour les circuits optiques et au-delà

L'équipe a trouvé des preuves grâce à des simulations que cette conception peut être utilisée pour créer non seulement des guides d'ondes droits, mais également pour guider la lumière dans les coins. Mais ils n'ont pas encore mené les expériences pour confirmer cette idée. Même si cela s'avère faisable, une optimisation supplémentaire sera nécessaire pour maintenir les pertes supplémentaires faibles dans ce cas. Regarder vers l'avant, une prochaine étape consistera à concevoir le couplage efficace de la lumière des guides d'ondes dans d'autres composants. Ce sera une étape cruciale dans le projet de recherche exploratoire pluriannuel de l'équipe dans le but d'intégrer les transistors tout optiques dont ils ont fait la démonstration en 2019 dans des circuits intégrés capables d'effectuer des opérations logiques simples.

L'équipe pense que leur guide d'ondes en silicium à faible perte pourrait permettre de nouvelles conceptions de puces photoniques à utiliser dans la biodétection et d'autres applications qui reposent sur la lumière visible. Cela pourrait également bénéficier à l'ingénierie de composants optiques plus efficaces tels que les lasers et les modulateurs largement utilisés dans les télécommunications.