Des chercheurs de l'Université de Washington, en collaboration avec des chercheurs de l'ETH-Zurich, Université Purdue et Virginia Commonwealth University, ont réalisé une percée dans les communications optiques qui pourrait révolutionner les technologies de l'information.

Ils ont créé un petit appareil, plus petit qu'un cheveu humain, qui traduit les bits électriques (0 et 1 du langage numérique) en lumière, ou bits photoniques, à des vitesses 10s fois plus rapides que les technologies actuelles.

"Comme pour les progrès antérieurs de la technologie de l'information, cela peut avoir un impact considérable sur notre façon de vivre, " a déclaré Larry Dalton, professeur émérite de chimie à l'UW et leader de la recherche en photonique.

Ces nouveaux dispositifs électro-optiques approchent de la taille des éléments de circuits électroniques actuels et sont importants pour l'intégration de la photonique et de l'électronique sur une seule puce. La nouvelle technologie implique également l'utilisation d'une particule, un polariton plasmon, qui a des propriétés intermédiaires entre les électrons et les photons. Cette technologie de particules hybrides est appelée plasmonique.

Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue La nature .

"L'appareil a été construit comme un modulateur plasmonique, " a déclaré Christian Haffner, étudiant diplômé à l'ETH-Zurich et auteur principal de l'article. « Ceci est inhabituel car la mise en œuvre traditionnelle repose sur la photonique plutôt que sur la plasmonique. En fait, les chercheurs évitent la plasmonique, car la plasmonique est connue dans toute l'industrie comme une technologie qui se fait au prix des pertes optiques les plus élevées. Pourtant - et c'est de loin la découverte la plus spectaculaire - une astuce a été trouvée pour utiliser la plasmonique sans souffrir de pertes aussi élevées."

Pour augmenter la capacité de traitement de l'information de l'informatique, télécommunications, technologies de détection et de contrôle, les données doivent être communiquées avec une bande passante élevée sur de vastes distances sans que les signaux (informations) se dégradent, ou consommer trop d'énergie et générer trop de chaleur. C'est là que la nouvelle technologie décrite dans le La nature l'article s'intègre. Appelé modulateur électro-optique, l'appareil convertit les signaux électriques en signaux optiques capables de se déplacer soit sur un câble optique en fibre de verre, soit sans fil dans l'espace via des satellites et des tours cellulaires. Cela doit être accompli avec une excellente efficacité énergétique en utilisant des appareils extrêmement petits capables de traiter des quantités massives de données.

"L'appareil doit être très sensible, capable de répondre à de très petits champs électriques. Si les champs nécessaires pour contrôler l'appareil sont petits, alors la consommation d'énergie est également faible. Ceci est important car l'efficacité énergétique est essentielle à toutes les applications, " a déclaré le co-auteur Dalton, ajouter, "Vous voulez éviter de générer de la chaleur et une dégradation de l'information dans les applications informatiques ou de télécommunication."

Cette dernière avancée fait suite à une percée en 2000 lorsque Dalton et une équipe de chercheurs de l'UW et de l'Université de Californie du Sud ont introduit pour la première fois des polymères ou des plastiques électro-optiques nouvellement conçus, qui ont été intégrés dans des dispositifs d'un centimètre de long qui pouvaient fonctionner avec moins d'un volt et avec des bandes passantes supérieures à 100 gigahertz. Malheureusement, ces dispositifs étaient beaucoup plus gros que les éléments générateurs de données électroniques et n'étaient pas adaptés à l'intégration d'éléments électroniques et photoniques sur une seule puce.

Cependant, passage à la plasmonique, ce problème d'empreinte est maintenant résolu. Et tout a commencé lorsqu'une équipe internationale de scientifiques et d'ingénieurs a entrepris d'améliorer l'appareil en intégrant de meilleurs matériaux électro-optiques organiques à la plasmonique. Les plasmons sont créés lorsque la lumière frappe une surface métallique, comme l'or. Les photons transmettent alors une partie de leur énergie aux électrons sur la surface métallique de sorte que les électrons oscillent. Ces nouvelles oscillations photon-électron sont appelées polaritons plasmoniques. Travailler avec des polaritons de plasmon permet une réduction considérable de la taille des circuits optiques et du fonctionnement de la bande passante plusieurs fois supérieure à celle de la photonique.

Par rapport à la découverte de 2000, la bande passante des appareils a augmenté de près d'un facteur 10 tout en réduisant les besoins énergétiques de près de 1, 000 et cela se traduit par une réduction du chauffage.

Le talon d'Achille de la plasmonique, cependant, est appelé perte optique. Alors que la dégradation du signal avec la distance de transmission n'est pas aussi grave qu'avec l'électronique, la dégradation du signal avec la plasmonique est bien pire qu'avec la photonique.

"Les chercheurs de l'ETH et de Purdue ont conçu une architecture de dispositif élégante qui résout le problème de la perte plasmonique et atteint une perte comparable à celle des modulateurs entièrement photoniques en utilisant une combinaison de plasmonique et de photonique, " a déclaré Dalton.

Il a qualifié l'appareil d'intégration élégante de l'électronique, photonique et plasmonique, utilisant un matériau électro-optique organique qui permet l'intégration de toutes les options de traitement du signal.

"C'est une avancée doublement significative dans la plasmonique et les matériaux électroactifs organiques, rendu possible grâce à l'itération créative entre la prédiction des matériaux, conception, synthèse, et l'optimisation immobilière, " a déclaré Linda S. Sapochak, directeur de division pour la recherche sur les matériaux à la National Science Foundation, qui a aidé à financer la recherche.

L'intégration de l'électronique et de la photonique sur puces est reconnue depuis plus d'une décennie comme une prochaine étape cruciale dans l'évolution des technologies de l'information.

La technologie de l'information est la science de la façon dont nous percevons notre monde et traitons et communiquons cette information.

Les applications du nouveau dispositif peuvent être divisées en deux catégories en fonction de la longueur d'onde de la lumière utilisée :Les télécommunications à fibres optiques et les interconnexions optiques en informatique utilisent la lumière (photons) à des fréquences optiques (lumière infrarouge), tandis que des applications telles que le radar et les télécommunications sans fil utilisent un rayonnement électromagnétique dans les régions des radiofréquences et des micro-ondes (lumière à grande longueur d'onde).

Dans le domaine des télécommunications et de l'informatique, l'électro-optique prend les informations générées dans un appareil électronique (par exemple, un processeur informatique) et le transformer en signaux lumineux qui voyagent sur un câble à fibre optique ou via une transmission sans fil vers un autre appareil électronique.

"Dans ce sens, vous pourriez considérer l'électro-optique comme les « rampes d'accès de l'autoroute de l'information », '", a déclaré Dalton.

L'électro-optique est également essentielle à de nombreuses autres applications telles que le radar et le GPS. Il représente la technologie de capteur critique, y compris des applications telles que la détection de réseau intégrée. Par exemple, l'électro-optique est essentielle à de nombreux composants d'un véhicule autonome et à la surveillance d'éléments d'infrastructure tels que les bâtiments et les ponts. L'appareil est pertinent pour le traitement de l'information numérique et analogique.