Les effets optiques non linéaires, connus pour leur réponse ultrarapide, leur large bande passante et leur parallélisme, combinés à des plates-formes photoniques intégrées, peuvent fournir une technique de contrôle optique efficace pour faire progresser le développement et l'application du traitement du signal optique.

Pourtant, l’exigence d’un champ lumineux de haute intensité reste toujours un obstacle majeur à la réalisation de systèmes pratiques de traitement du signal optique non linéaire (NOSP). Les dispositifs résonants, généralement utilisés pour réduire les besoins en énergie dans les applications non linéaires, sont confrontés à un compromis restrictif entre vitesse et efficacité dans les applications NOSP, ce qui signifie que l'augmentation de l'efficacité est souvent compromise par une vitesse de scarification.

Récemment, des chercheurs ont mis au point une méthode qui améliore considérablement simultanément l'efficacité et la rapidité du NOSP.

Cette nouvelle approche utilise un système de microrésonateur spécialement conçu qui manipule la lumière en utilisant un principe appelé « symétrie parité-temps (PT) ». Issue de la théorie quantique des champs, la symétrie PT peut être réalisée dans des systèmes optiques avec une distribution gain-perte spatialement équilibrée. Les systèmes couplés avec des sous-systèmes à pertes faibles/élevées peuvent être considérés comme des systèmes PT passifs via une transformation mathématique.

Le travail est publié dans la revue eLight .

Pour surmonter le compromis entre bande passante et efficacité (vitesse-efficacité), il est crucial d’exploiter la perte (décroissance des cavités) grâce à la symétrie PT. Bien que la perte soit souvent considérée comme un défaut d'un système, elle peut élargir les largeurs de raie des résonateurs pour s'adapter aux signaux à large bande.

Les chercheurs ont conçu un moyen de manipuler la perte des ondes lumineuses participant au NOSP, où l'onde lumineuse (onde de pompe) qui entraîne le NOSP subit une faible perte, son intensité étant ainsi considérablement augmentée grâce à l'amélioration de la résonance ; tandis que le flux de données optiques soumis au traitement du signal optique (ondes de signal et libres) subit une perte plus élevée, en d'autres termes, une résonance sélectivement amortie, de sorte que le système peut faciliter la lumière modulée à grande vitesse. Les deux phases distinctes qui découlent de la rupture de symétrie PT, la caractéristique la plus intrigante des systèmes PT, répondent parfaitement à cette exigence.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont développé un système spécial de microrésonateurs couplés, un microrésonateur faisant la moitié de la longueur de l’autre. Cette conception permet l’incorporation à la fois de la phase interrompue PT et de la phase exacte PT quasi exceptionnelle dans différentes fenêtres spectrales simultanément au sein de la même structure. En conséquence, un fonctionnement à haut rendement et à grande vitesse peut être obtenu simultanément et dépasse efficacement la limite d'efficacité de bande passante imposée aux systèmes à résonateur unique.

Briser la limitation de l'efficacité de la bande passante des microrésonateurs conventionnels signifie des vitesses plus rapides. Les chercheurs ont présenté des preuves expérimentales démontrant qu'un traitement de données à grande vitesse, dépassant 38 gigabits par seconde, peut être obtenu avec des microrésonateurs à facteur de haute qualité présentant des largeurs de raie intrinsèques aussi étroites que 1 gigahertz. Cette amélioration à la fois de l'efficacité et de la vitesse permet une amélioration de l'efficacité de deux ordres de grandeur par rapport aux systèmes à résonateur unique.

Cette innovation se traduit finalement par une consommation d’énergie considérablement réduite nécessaire à l’exécution de tâches de traitement du signal à grande vitesse. En combinant le concept avec une plate-forme d'intégration non linéaire ultra-élevée, à savoir AlGaAs-on-Insulator, les chercheurs ont démontré le fonctionnement NOSP (conversion de longueur d'onde) d'un signal marche-arrêt de 38 Go avec une puissance de pompe de seulement 1 mW. Ce fonctionnement de pompe à puissance record prévoit des dispositifs de traitement de signal non linéaires à l'échelle d'une puce dans un avenir proche.

Cette percée s'attaque aux défis pratiques liés à la mise en œuvre du système NOSP, favorisant ainsi son déploiement dans le monde réel. Les appareils plus petits, plus rapides et plus efficaces rendus possibles par le NOSP symétrique PT ont le potentiel d'apporter des améliorations substantielles en termes de capacité, de vitesse et d'efficacité énergétique du réseau. Ces avancées pourraient conduire à des vitesses Internet plus rapides, à des centres de données plus efficaces et même à de nouvelles applications dans le domaine de l'informatique quantique.

Les chercheurs sont optimistes quant à l’impact réel de leurs travaux. Ils prévoient que la technique de manipulation de la largeur de raie basée sur la symétrie PT suscitera un large intérêt, compte tenu de ses applications potentielles dans divers domaines tels que l'optomécanique, l'acoustique, la physique et l'ingénierie atomiques.