Schéma du nouveau dispositif de guide d'ondes optique montrant les réseaux d'entrée et de sortie et les connexions de guide d'ondes en silicium. Crédit :Natasha Litchinitser, université de Duke
Les ingénieurs de l'Université Duke ont fait la démonstration d'un appareil capable de diriger des photons de lumière autour d'angles aigus sans pratiquement aucune perte due à la rétrodiffusion, une propriété clé qui sera nécessaire si l'électronique doit un jour être remplacée par des dispositifs basés sur la lumière.
Le résultat a été obtenu avec des cristaux photoniques construits sur le concept d'isolants topologiques, qui a valu à ses découvreurs un prix Nobel en 2016. En contrôlant soigneusement la géométrie d'un réseau cristallin, les chercheurs peuvent empêcher la lumière de traverser son intérieur tout en la transmettant parfaitement le long de sa surface.
A travers ces notions, l'appareil atteint sa transmittance presque parfaite dans les coins bien qu'il soit beaucoup plus petit que les conceptions précédentes.
La Semiconductor Industry Association estime que le nombre d'appareils électroniques augmente si rapidement que d'ici 2040, il n'y aura pas assez de puissance dans le monde entier pour tous les faire fonctionner. Une solution potentielle est de se tourner vers des photons sans masse pour remplacer les électrons actuellement utilisés pour transmettre des données. En plus d'économiser de l'énergie, les systèmes photoniques promettent également d'être plus rapides et d'avoir une bande passante plus élevée.
Les photons sont déjà utilisés dans certaines applications telles que la communication photonique sur puce. Un inconvénient de la technologie actuelle, cependant, est que de tels systèmes ne peuvent pas tourner ou courber la lumière efficacement. Mais pour que les photons remplacent un jour les électrons dans les micropuces, voyager dans les coins dans des espaces microscopiques est une nécessité.
Regardez de plus près le nouveau dispositif de guide d'ondes optique avec une vue agrandie de l'isolant topologique à cristal photonique fabriqué. Crédit :Natasha Litchinitser, université de Duke
"Plus l'appareil est petit, mieux c'est, mais bien sûr, nous essayons également de minimiser les pertes, " dit Wiktor Walasik, un associé postdoctoral en génie électrique et informatique à Duke. "Il y a beaucoup de gens qui travaillent pour rendre possible un système informatique tout optique. Nous n'en sommes pas encore là, mais je pense que c'est la direction que nous prenons."
Les démonstrations précédentes ont également montré de petites pertes tout en guidant les photons dans les coins, mais la nouvelle recherche de Duke le fait sur un appareil rectangulaire de seulement 35 micromètres de long et 5,5 micromètres de large, soit 100 fois plus petit que les appareils basés sur un résonateur en anneau précédemment démontrés.
Dans la nouvelle étude, paru en ligne le 12 novembre dans le journal Nature Nanotechnologie , les chercheurs ont fabriqué des isolants topologiques en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons et ont mesuré la transmission de la lumière à travers une série de virages serrés. Les résultats ont montré que chaque tour n'entraînait qu'une perte de quelques pour cent.
« Le guidage de la lumière autour des angles vifs dans les cristaux photoniques conventionnels était possible auparavant, mais uniquement grâce à un long processus laborieux adapté à un ensemble spécifique de paramètres, " a déclaré Natasha Litchinitser, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Et si vous faisiez la moindre erreur dans sa fabrication, il a perdu beaucoup des propriétés que vous essayiez d'optimiser."
La partie centrale du nouveau guide d'ondes isolant topologique à cristal photonique, avec le chemin du chemin d'un photon surligné en vert. L'expérience a montré que chaque tour entraînait des pertes de rétrodiffusion de quelques pour cent seulement. Crédit :Natasha Litchinitser, université de Duke
« Mais notre appareil fonctionnera quelles que soient ses dimensions ou la géométrie du chemin des photons et le transport des photons est « topologiquement protégé », '", a ajouté Mikhail Shalaev, doctorant au laboratoire de Litchinitser et premier auteur de l'article. "Cela signifie que même s'il y a des défauts mineurs dans la structure cristalline photonique, le guide d'ondes fonctionne toujours très bien. Il n'est pas si sensible aux erreurs de fabrication."
Les chercheurs soulignent que leur appareil dispose également d'une large bande passante de fonctionnement, est compatible avec les technologies modernes de fabrication de semi-conducteurs, et fonctionne aux longueurs d'onde actuellement utilisées dans les télécommunications.
Les chercheurs tentent ensuite de rendre leur guide d'ondes accordable dynamiquement pour décaler la bande passante de son fonctionnement. Cela permettrait au guide d'ondes d'être allumé et éteint à volonté - une autre caractéristique importante pour que les technologies basées sur des photons tout optiques deviennent une réalité.
