Les chercheurs travaillant sous Juerg Leuthold, Professeur de Photonique et Communications, ont créé le plus petit commutateur optique intégré au monde. L'application d'une petite tension provoque le déplacement d'un atome, allumer ou éteindre l'interrupteur.

La quantité de données échangées via les réseaux de communication à travers le monde croît à une vitesse vertigineuse. Le volume de données pour les communications filaires et mobiles augmente actuellement de 23 % et 57 % respectivement chaque année. Il est impossible de prédire quand cette croissance prendra fin. Cela signifie également que tous les composants du réseau doivent constamment être rendus plus efficaces.

Ces composants comprennent des modulateurs, qui convertissent les informations initialement disponibles sous forme électrique en signaux optiques. Les modulateurs ne sont donc rien de plus que des commutateurs électriques rapides qui activent ou désactivent un signal laser à la fréquence des signaux électriques entrants. Les modulateurs sont installés par milliers dans les centres de données. Cependant, elles ont toutes l'inconvénient d'être assez grandes. Mesurant quelques centimètres de diamètre, ils prennent beaucoup de place lorsqu'ils sont utilisés en grand nombre.

Des micromodulateurs aux nanomodulateurs

Il y a six mois, un groupe de travail dirigé par Jürg Leuthold, Le professeur de photonique et de communication a déjà réussi à prouver que la technologie pouvait être rendue plus petite et plus économe en énergie. Dans le cadre de ce travail, les chercheurs ont présenté un micromodulateur mesurant seulement 10 micromètres de diamètre - ou 10, 000 fois plus petit que les modulateurs en usage commercial.

Leuthold et ses collègues sont maintenant passés à un niveau supérieur en développant le plus petit modulateur optique au monde. Et c'est probablement aussi petit que possible :le composant fonctionne au niveau des atomes individuels. L'empreinte a donc été encore réduite d'un facteur 1, 000 si vous incluez l'interrupteur avec les guides de lumière. Cependant, le commutateur lui-même est encore plus petit, avec une taille mesurée à l'échelle atomique. Le dernier développement de l'équipe a été récemment présenté dans la revue Lettres nano .

En réalité, le modulateur est nettement plus petit que la longueur d'onde de la lumière utilisée dans le système. Dans les télécommunications, les signaux optiques sont transmis à l'aide d'une lumière laser d'une longueur d'onde de 1,55 micromètre. Normalement, un dispositif optique ne peut pas être plus petit que la longueur d'onde qu'il doit traiter. "Jusque récemment, même moi, je pensais qu'il nous était impossible de dépasser cette limite, " souligne Leuthold.

Nouvelle structure

Mais son scientifique principal Alexandros Emboras a prouvé que les lois de l'optique étaient fausses en reconfigurant avec succès la construction d'un modulateur. Cette construction a permis de pénétrer l'ordre de grandeur des atomes individuels, même si les chercheurs utilisaient de la lumière avec une "longueur d'onde standard".

Le modulateur d'Emboras se compose de deux minuscules pads, l'un en argent et l'autre en platine, au-dessus d'un guide d'onde optique en silicium. Les deux plots sont disposés côte à côte à quelques nanomètres seulement, avec un petit renflement sur le tampon d'argent dépassant dans l'espace et touchant presque le tampon de platine.

Court-circuit grâce à un atome d'argent

Et voici comment fonctionne le modulateur :la lumière entrant d'une fibre optique est guidée jusqu'à l'entrée de l'entrefer par le guide d'onde optique. Au-dessus de la surface métallique, la lumière se transforme en un plasmon de surface. Un plasmon se produit lorsque la lumière transfère de l'énergie aux électrons dans la couche atomique la plus externe de la surface métallique, faisant osciller les électrons à la fréquence de la lumière incidente. Ces oscillations électroniques ont un diamètre bien plus petit que le rayon de lumière lui-même. Cela leur permet d'entrer dans l'espace et de traverser le goulot d'étranglement. De l'autre côté de la brèche, les oscillations électroniques peuvent être reconverties en signaux optiques.

Si une tension est maintenant appliquée à la pastille d'argent, un seul atome d'argent ou, au plus, quelques atomes d'argent se déplacent vers la pointe de la pointe et se positionnent à son extrémité. Cela crée un court-circuit entre les pastilles d'argent et de platine, de sorte que le courant électrique circule entre eux. Cela ferme l'échappatoire pour le plasmon; le commutateur bascule et l'état passe de "on" à "off" ou vice versa. Dès que la tension redescend en dessous d'un certain seuil, un atome d'argent recule. La brèche s'ouvre, le plasmon coule, et l'interrupteur est à nouveau "on". Ce processus peut être répété des millions de fois.

ETH Professeur Mathieu Luisier, qui ont participé à cette étude, simulé le système à l'aide d'un ordinateur performant au CSCS de Lugano. Cela lui a permis de confirmer que le court-circuit à la pointe de la pointe d'argent est provoqué par un seul atome.

Un signal vraiment numérique

Comme le plasmon n'a pas d'autre choix que de traverser complètement ou pas du tout le goulot d'étranglement, cela produit un signal véritablement numérique - un un ou un zéro. "Cela nous permet de créer un interrupteur numérique, comme avec un transistor. Nous cherchions une solution comme celle-ci depuis longtemps, " résume Leuthold.

Jusqu'à présent, le modulateur n'est pas prêt pour la production en série. Bien qu'il ait l'avantage de fonctionner à température ambiante, contrairement à d'autres appareils qui fonctionnent en utilisant des effets quantiques à cet ordre de grandeur, ça reste quand même très lent pour un modulateur :pour l'instant, cela ne fonctionne que pour les fréquences de commutation dans la plage des mégahertz ou en dessous. Les chercheurs de l'ETH souhaitent l'affiner pour des fréquences allant du gigahertz au térahertz.

Améliorer le processus de lithographie

Les chercheurs souhaitent également améliorer encore la méthode de lithographie, qui a été redéveloppé par Emboras à partir de zéro pour construire les pièces, afin que de tels composants puissent être produits de manière fiable à l'avenir. Maintenant, la fabrication ne réussit que dans une tentative sur six. Néanmoins, les chercheurs considèrent cela comme un succès, car les procédés de lithographie à l'échelle atomique restent un territoire inexploré.

Afin de poursuivre ses recherches sur le nanomodulateur, Leuthold a renforcé son équipe. Cependant, il souligne que des ressources plus importantes seraient nécessaires pour développer une solution commercialement disponible. Malgré cela, le professeur de l'ETH est convaincu que lui et son équipe seront en mesure de présenter une solution réalisable dans les prochaines années.