Démonstration du commutateur tout optique. Crédit :Université de Tampere
Un groupe de chercheurs en photonique de l'Université de Tampere a introduit une nouvelle méthode pour contrôler un faisceau lumineux avec un autre faisceau à travers une métasurface plasmonique unique dans un milieu linéaire à très faible puissance. Cette méthode de commutation linéaire simple rend les dispositifs nanophotoniques tels que les systèmes de calcul et de communication optiques plus durables, nécessitant une faible intensité de lumière.
La commutation tout optique est la modulation de la lumière de signalisation due à la lumière de commande de telle manière qu'elle possède la fonction de conversion marche/arrêt. En général, un faisceau lumineux peut être modulé par un autre faisceau laser intense en présence d'un milieu non linéaire.
La méthode de commutation développée par les chercheurs est fondamentalement basée sur le phénomène optique quantique connu sous le nom d'amélioration de l'indice de réfraction (EIR).
"Notre travail est la première démonstration expérimentale de cet effet sur le système optique et son utilisation pour la commutation tout optique linéaire. La recherche éclaire également la communauté scientifique pour obtenir des dispositifs plasmoniques à perte compensée fonctionnant à des fréquences de résonance grâce à une amélioration extraordinaire de l'indice de réfraction sans en utilisant n'importe quel média à gain ou processus non linéaires », explique Humeyra Caglayan, professeur agrégé (tenure track) en photonique à l'université de Tampere.
Commutation optique activée avec une vitesse ultra-rapide
La commutation à grande vitesse et le milieu à faible perte pour éviter la forte dissipation du signal pendant la propagation sont à la base du développement de la technologie photonique intégrée où les photons sont utilisés comme supports d'informations au lieu des électrons. Pour réaliser des réseaux de commutation tout optique ultrarapides sur puce et des unités centrales photoniques, la commutation tout optique doit avoir un temps de commutation ultrarapide, une puissance de contrôle de seuil ultrafaible, une efficacité de commutation ultraélevée et une taille de fonctionnalité à l'échelle nanométrique.
"La commutation entre les valeurs de signal de 0 et 1 est fondamentale dans tous les appareils électroniques numériques, y compris les ordinateurs et les systèmes de communication. Au cours des dernières décennies, ces éléments électroniques sont progressivement devenus plus petits et plus rapides. Par exemple, les calculs ordinaires effectués avec nos ordinateurs sur commande de secondes ne pourrait pas être fait avec de vieux ordinateurs de la taille d'une pièce, même en plusieurs jours », remarque Caglayan.
Dans l'électronique conventionnelle, la commutation repose sur le contrôle du flux d'électrons à l'échelle de la microseconde (10 -6 sec) ou nanoseconde (10 -9 sec) plage en connectant ou déconnectant la tension électrique.
"Cependant, la vitesse de commutation peut être portée à une échelle de temps ultra-rapide (femtoseconde 10 -15 sec) en remplaçant les électrons par des plasmons. Les plasmons sont une combinaison de photons et d'une collection d'électrons à la surface des métaux. Cela permet la commutation optique avec notre appareil avec femtoseconde (10 -15 sec) vitesses", déclare-t-elle.
"Notre nano-commutateur plasmonique consiste en une combinaison en forme de L de nanotiges métalliques. L'une des nanotiges reçoit un signal polarisé linéairement et l'autre reçoit un autre faisceau de" contrôle "polarisé linéairement perpendiculaire au premier faisceau", explique Rakesh Dhama, chercheur postdoctoral. , le premier auteur de l'article publié dans Nature Communications .
La polarisation signifie la direction dans laquelle le champ électrique du faisceau oscille. Le faisceau de contrôle peut atténuer ou amplifier le signal en fonction de la différence de phase entre les faisceaux. La différence de phase fait référence à la différence de temps lorsque chaque faisceau atteint son intensité maximale. L'amplification du signal se produit en raison du transfert d'une certaine énergie optique du faisceau de contrôle au signal par une superposition constructive avec une différence de phase soigneusement conçue.
Améliorer les performances des appareils plasmoniques
De même, l'atténuation du signal est obtenue par superposition destructive lorsque les faisceaux ont un déphasage opposé. Cette découverte rend les dispositifs nanophotoniques tels que les systèmes de calcul et de communication optiques plus durables nécessitant une faible intensité de lumière. Cette simple méthode de commutation linéaire peut remplacer les méthodes actuelles de traitement optique, de calcul ou de communication en accélérant le développement et la réalisation de systèmes plasmoniques à l'échelle nanométrique.
"Nous nous attendons à voir d'autres études sur les structures plasmoniques utilisant notre méthode de commutation améliorée et éventuellement l'utilisation de notre méthode dans les circuits plasmoniques à l'avenir. De plus, la métasurface en forme de L pourrait être étudiée plus avant pour révéler une commutation ultra-rapide sous l'éclairage de des impulsions laser femtosecondes et pour étudier l'amélioration et le contrôle non linéaires des nanoparticules plasmoniques", note Humeyra Caglayan.
Le contrôle de la réponse non linéaire des nanostructures offre des applications et des fonctionnalités encore plus intéressantes aux dispositifs nanophotoniques tels que l'informatique optique et les systèmes de communication.
"Cette approche a également le potentiel d'améliorer les performances des dispositifs plasmoniques en créant une transparence à large bande pour un faisceau de signal sans aucun milieu de gain. Elle peut ouvrir plusieurs façons de concevoir des éléments photoniques intelligents pour la photonique intégrée", déclare Cagalayan. Nanoantennes en silicium reconfigurables contrôlées par champ lumineux vectoriel
