Une équipe de chercheurs de Columbia Engineering, dirigé par le professeur adjoint de physique appliquée Nanfang Yu, a inventé une méthode pour contrôler la propagation de la lumière dans des chemins confinés, ou guides d'ondes, avec une grande efficacité en utilisant des nano-antennes. Pour démontrer cette technique, ils ont construit des dispositifs photoniques intégrés qui non seulement avaient un encombrement record, mais étaient également capables de maintenir des performances optimales sur une large gamme de longueurs d'onde sans précédent.

Les circuits intégrés photoniques (CI) sont basés sur la lumière se propageant dans des guides d'ondes optiques, et le contrôle de cette propagation de la lumière est un enjeu central dans la construction de ces puces, qui utilisent la lumière au lieu des électrons pour transporter les données. La méthode de Yu pourrait conduire à plus rapide, plus puissant, et des puces optiques plus performantes, ce qui pourrait à son tour transformer les communications optiques et le traitement du signal optique. L'étude est publiée en ligne dans Nature Nanotechnologie 17 avril.

« Nous avons construit des dispositifs nanophotoniques intégrés avec la plus petite empreinte et la plus grande bande passante de fonctionnement jamais créées, ", dit Yu. "Le degré auquel nous pouvons maintenant réduire la taille des dispositifs photoniques intégrés à l'aide de nano-antennes est similaire à ce qui s'est passé dans les années 1950 lorsque les grands tubes à vide ont été remplacés par des transistors à semi-conducteurs beaucoup plus petits. Ce travail apporte une solution révolutionnaire à un problème scientifique fondamental :comment contrôler la lumière se propageant dans les guides d'ondes de la manière la plus efficace ?

La puissance optique des ondes lumineuses se propageant le long des guides d'ondes est confinée au cœur du guide d'ondes :les chercheurs ne peuvent accéder aux ondes guidées que via les petites « queues » évanescentes qui existent près de la surface du guide d'ondes. Ces ondes guidées insaisissables sont particulièrement difficiles à manipuler et les dispositifs photoniques intégrés sont donc souvent de grande taille, occupant de l'espace et limitant ainsi la densité d'intégration de dispositifs d'une puce. Le rétrécissement des dispositifs photoniques intégrés représente un défi principal que les chercheurs visent à surmonter, reflétant la progression historique de l'électronique qui suit la loi de Moore, que le nombre de transistors dans les circuits intégrés électroniques double environ tous les deux ans.

L'équipe de Yu a découvert que le moyen le plus efficace de contrôler la lumière dans les guides d'ondes est de « décorer » les guides d'ondes avec des nano-antennes optiques :ces antennes miniatures tirent la lumière de l'intérieur du noyau du guide d'ondes, modifier les propriétés de la lumière, et relâcher la lumière dans les guides d'ondes. L'effet cumulatif d'un réseau dense de nano-antennes est si puissant qu'elles pourraient atteindre des fonctions telles que la conversion de mode de guide d'ondes sur une distance de propagation ne dépassant pas le double de la longueur d'onde.

"Il s'agit d'une percée étant donné que les approches conventionnelles pour réaliser la conversion de mode de guide d'ondes nécessitent des dispositifs d'une longueur qui est des dizaines de centaines de fois la longueur d'onde, ", dit Yu. "Nous avons pu réduire la taille de l'appareil d'un facteur 10 à 100."

Les équipes de Yu ont créé des convertisseurs de mode de guide d'ondes qui peuvent convertir un certain mode de guide d'ondes en un autre mode de guide d'ondes ; ce sont des catalyseurs clés d'une technologie appelée « multiplexage par répartition en mode » (MDM). Un guide d'ondes optique peut prendre en charge un mode de guide d'ondes fondamental et un ensemble de modes d'ordre supérieur, de la même manière qu'une corde de guitare peut supporter un ton fondamental et ses harmoniques. Le MDM est une stratégie pour augmenter considérablement la puissance de traitement de l'information d'une puce optique :on pourrait utiliser la même couleur de lumière mais plusieurs modes de guide d'ondes différents pour transporter plusieurs canaux d'information indépendants simultanément, tout à travers le même guide d'ondes. "Cet effet est comme, par exemple, le pont George Washington ayant comme par magie la capacité de gérer un volume de trafic plusieurs fois supérieur, " explique Yu. "Nos convertisseurs de mode guide d'ondes pourraient permettre la création de voies d'information beaucoup plus capacitives."

Il prévoit ensuite d'incorporer des matériaux optiques activement accordables dans les dispositifs photoniques intégrés pour permettre un contrôle actif de la propagation de la lumière dans les guides d'ondes. De tels dispositifs actifs seront les éléments de base des lunettes de réalité augmentée (AR) - des lunettes qui déterminent d'abord les aberrations oculaires du porteur, puis projettent des images corrigées des aberrations dans les yeux - que lui et ses collègues de Columbia Engineering, Professeurs Michal Lipson, Alex Gaète, Demetri Basov, Jim Hone, et Harish Krishnaswamy y travaillent actuellement. Yu explore également la conversion des ondes se propageant dans les guides d'ondes en fortes ondes de surface, qui pourrait éventuellement être utilisé pour la détection chimique et biologique sur puce.

L'étude s'intitule, "Contrôler la propagation et le couplage des modes de guide d'ondes à l'aide de métasurfaces à gradient de phase."