Intensité de diffusion de la lumière dans un résonateur de Mie au silicium en fonction de la force d'excitation avec des tailles de résonateur de 100, 170, et 190 nm. Les lignes rouges continues montrent les réponses linéaires correspondantes. Crédit :Université d'Osaka
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université d'Osaka et l'Université nationale de Taiwan a créé un système de résonateurs en silicium à l'échelle nanométrique pouvant servir de portes logiques pour les impulsions lumineuses. Ces travaux pourraient conduire à la prochaine génération de processeurs informatiques à base de silicium qui comblent le fossé entre les signaux électroniques et optiques.
Le silicium fait partie des éléments abondants sur notre planète et constitue la base de toute informatique moderne. C'est-à-dire, des smartphones aux mainframes, tous les calculs se font sur la base de signaux électriques traversant des transistors au silicium. Faire des commutateurs et des portes logiques à partir de signaux électroniques est facile, puisque les tensions peuvent contrôler le flux de courant dans d'autres fils. Cependant, les données sur Internet sont principalement envoyées sous forme d'impulsions lumineuses sur des câbles à fibres optiques. La capacité de contrôler complètement les données et la logique avec la lumière sur le silicium pourrait conduire à des appareils beaucoup plus rapides.
Le défi est que les particules de lumière, appelés photons, interagissent à peine les uns avec les autres, les impulsions ne peuvent donc pas s'activer ou se désactiver pour effectuer des tâches logiques. L'optique non linéaire est le domaine d'étude qui cherche à trouver des matériaux dans lesquels les faisceaux de lumière interagissent d'une manière ou d'une autre. Malheureusement, la non-linéarité du silicium monocristallin est extrêmement faible, donc dans le passé, il fallait utiliser des lasers très intenses.
Maintenant, des scientifiques de l'Université d'Osaka et de l'Université nationale de Taiwan ont augmenté la non-linéarité du silicium 100, 000 fois en créant un résonateur nano-optique, de sorte que les commutateurs tout optiques peuvent être actionnés à l'aide d'un laser continu de faible puissance. Ils y sont parvenus en fabriquant de minuscules résonateurs à partir de blocs de silicium d'une taille inférieure à 200 nm. La lumière laser d'une longueur d'onde de 592 nm peut être piégée à l'intérieur et chauffer rapidement les blocs, basé sur le principe de résonance de Mie. "Une résonance Mie se produit lorsque la taille d'une nanoparticule correspond à un multiple de la longueur d'onde de la lumière, ", dit l'auteur Yusuke Nagasaki.
Démonstration de commutateur optique par lumière contrôlée (longueur d'onde de 592 nm). L'intensité du signal lumineux (543 nm) est commutée en allumant ou en éteignant la lumière contrôlée. Crédit :Université d'Osaka
Avec un nanobloc dans un état chaud induit thermo-optiquement, une seconde impulsion laser à 543 nm peut passer quasiment sans diffusion, ce qui n'est pas le cas lorsque le premier laser est éteint. Le bloc peut se refroidir avec des temps de relaxation mesurés en nanosecondes. Cette non-linéarité importante et rapide conduit à des applications potentielles pour le contrôle tout optique du GHz à l'échelle nanométrique. "Le silicium devrait rester le matériau de choix pour les circuits intégrés optiques et les dispositifs optiques, ", dit l'auteur principal Junichi Takahara.
Les travaux en cours permettent des commutateurs optiques qui prennent beaucoup moins de place que les tentatives précédentes. Cette avancée ouvre la voie à une intégration directe sur puce ainsi qu'à une imagerie à super résolution.
