Les chercheurs utilisent les ondes sonores pour faire progresser la communication optique

Des chercheurs de l'Illinois ont démontré que les ondes sonores pouvaient être utilisées pour produire des diodes optiques ultraminiatures suffisamment petites pour tenir sur une puce informatique. Ces dispositifs, appelés isolateurs optiques, peuvent aider à résoudre les principaux problèmes de capacité de données et de taille des systèmes pour les circuits intégrés photoniques, l'équivalent lumineux des circuits électroniques, utilisés pour l'informatique et les communications.

Les isolateurs sont des dispositifs non réciproques ou « à sens unique » similaires aux diodes électroniques. Ils protègent les sources laser des réflexions arrière et sont nécessaires pour acheminer les signaux lumineux autour des réseaux optiques. Aujourd'hui, la technologie dominante pour produire de tels dispositifs non réciproques nécessite matériaux qui modifient leurs propriétés optiques en réponse aux champs magnétiques, ont indiqué les chercheurs.

"L'utilisation de matériaux magnétiquement sensibles pour obtenir un flux de lumière unidirectionnel dans une puce photonique pose plusieurs problèmes", a déclaré le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie et co-auteur de l'étude. Gaurav Bahl. « Premièrement, l’industrie n’a tout simplement pas la capacité de placer des aimants compacts sur une puce. Mais plus important encore, les matériaux nécessaires ne sont pas encore disponibles dans les fonderies photoniques. C’est pourquoi l’industrie a désespérément besoin d’une meilleure approche utilisant uniquement des matériaux conventionnels et évitant complètement les champs magnétiques.

Dans une étude publiée dans la revue Photonique naturelle, les chercheurs expliquent comment ils utilisent le minuscule couplage entre la lumière et le son pour fournir une solution unique permettant des dispositifs non réciproques avec presque n'importe quel matériau photonique.

Cependant, la taille physique de l'appareil et la disponibilité des matériaux ne sont pas les seuls problèmes liés à l'état actuel de la technique, ont indiqué les chercheurs.

"Les tentatives en laboratoire visant à produire des isolateurs optiques magnétiques compacts ont toujours été en proie à d'importantes pertes optiques", a déclaré Benjamin Sohn, étudiant diplômé et auteur principal. « L’industrie photonique ne peut pas se permettre cette perte liée aux matériaux et a également besoin d’une solution offrant une bande passante suffisante pour être comparable à la technique magnétique traditionnelle. Jusqu’à présent, il n’existait aucune approche compétitive sans aimant.

Le nouvel appareil mesure seulement 200 microns sur 100 – environ 10 000 fois plus petit qu’un centimètre carré – et est fabriqué en nitrure d’aluminium, un matériau transparent qui transmet la lumière et est compatible avec les fonderies photoniques. « Les ondes sonores sont produites d'une manière similaire à un haut-parleur piézoélectrique, en utilisant de minuscules électrodes écrites directement sur le nitrure d'aluminium avec un faisceau d'électrons. Ce sont ces les ondes sonores qui obligent la lumière à l’intérieur de l’appareil à se déplacer dans une seule direction. C’est la première fois qu’un isolateur sans aimant dépasse la bande passante du gigahertz », a déclaré Sohn.

Les chercheurs recherchent des moyens d'augmenter la bande passante ou la capacité de données de ces isolateurs et sont convaincus de pouvoir surmonter cet obstacle. Une fois perfectionnés, ils envisagent des applications transformatrices dans les systèmes de communication photonique, les gyroscopes, les systèmes GPS, le chronométrage atomique et les centres de données.

"Les centres de données gèrent d'énormes quantités de trafic de données Internet et consomment de grandes quantités d'énergie pour la mise en réseau et pour maintenir les serveurs au frais", a déclaré Bahl. « La communication basée sur la lumière est souhaitable car elle produit beaucoup moins de chaleur, ce qui signifie que beaucoup moins d'énergie peut être dépensée pour le refroidissement du serveur tout en transmettant beaucoup plus de données par seconde. »

Outre le potentiel technologique, les chercheurs ne peuvent s’empêcher d’être fascinés par la science fondamentale derrière ces avancées.

"Dans la vie de tous les jours, nous ne voyons pas les interactions entre la lumière et le son", a déclaré Bahl. « La lumière peut traverser une vitre transparente sans rien faire d’étrange. Notre domaine de recherche a montré que lumière et le son interagissent en fait de manière très subtile. Si vous appliquez les bons principes d’ingénierie, vous pouvez agiter un matériau transparent de la bonne manière pour améliorer ces effets et résoudre ce défi scientifique majeur. Cela semble presque magique.