Un nouveau commutateur optique peut conduire à un traitement de signal tout optique ultra-rapide

Une illustration artistique d’un interrupteur optique qui divise les impulsions de lumière en fonction de leur énergie. Crédit : Y. Wang, N. Thu et S. Zhou

Les ingénieurs de Caltech ont développé un commutateur – l’un des composants les plus fondamentaux de l’informatique – utilisant des composants optiques plutôt qu’électroniques. Le développement peut aider à réaliser un traitement et un traitement ultra-rapides du signal tout optique.

Les appareils optiques peuvent transmettre des signaux beaucoup plus rapidement que les appareils électriques en utilisant des impulsions lumineuses au lieu de signaux électriques. Par conséquent, les appareils modernes utilisent souvent l’optique pour transmettre des données ; pensez, par exemple, aux câbles à fibre optique qui offrent des vitesses Internet bien supérieures aux câbles Ethernet classiques.

Le domaine de l’optique a le potentiel de révolutionner l’informatique en faisant plus, à des vitesses plus rapides et avec moins de puissance. Cependant, l’une des principales limitations des systèmes basés sur l’optique à l’heure actuelle est qu’ils ont encore besoin de transistors basés sur l’électronique à un moment donné pour traiter efficacement les données.

Maintenant, en utilisant la puissance de la non-linéarité optique (plus sur cela plus tard), une équipe dirigée par Alireza Marandi, professeur adjoint de génie électrique et de physique appliquée à Caltech, a créé un commutateur tout optique. Un tel interrupteur pourrait éventuellement permettre le traitement de données avec des photons. La recherche est publiée dans la revue Photonique de la nature le 28 juillet.

Les commutateurs sont parmi les composants les plus simples d’un ordinateur. Un signal entre dans le commutateur et, selon certaines conditions, le commutateur fait avancer le signal ou l’arrête. Cette propriété marche/arrêt est à la base des portes logiques et des calculs binaires, et c’est pour cela que les transistors numériques sont conçus. Jusqu’à ce nouveau travail, cependant, il s’avérait difficile de réaliser la même fonction avec la lumière. Contrairement aux électrons dans les transistors, qui peuvent fortement influencer les courants les uns des autres et provoquer une “commutation”, les photons n’interagissent généralement pas facilement les uns avec les autres.

Deux choses ont rendu la percée possible : le matériau utilisé par l’équipe de Marandi et la façon dont ils l’ont utilisé. Tout d’abord, ils ont choisi un matériau cristallin connu sous le nom de niobate de lithium, une combinaison de niobium, de lithium et d’oxygène qui n’existe pas dans la nature, mais qui s’est avérée essentielle à l’optique au cours des 50 dernières années. Le matériau est intrinsèquement non linéaire : en raison de la manière particulière dont les atomes sont disposés dans le cristal, les signaux optiques qu’il produit en sortie ne sont pas proportionnels aux signaux d’entrée.

Bien que les cristaux de niobate de lithium soient utilisés en optique depuis des décennies, des avancées plus récentes dans les techniques de nanofabrication ont permis à Marandi et à son équipe de créer des dispositifs photoniques intégrés à base de niobate de lithium qui permettent de confiner la lumière dans un petit espace. Plus la pièce est petite, plus l’intensité de la lumière est grande avec la même puissance. En conséquence, les impulsions lumineuses transportant des informations à travers un tel système optique pourraient fournir une réponse non linéaire plus forte que cela ne serait autrement possible.

Marandi et ses collègues ont également temporairement limité la lumière. Essentiellement, ils ont réduit la durée des impulsions lumineuses et ont utilisé une conception spécifique qui maintiendrait les impulsions courtes lorsqu’elles se propagent à travers l’appareil, ce qui donne à chaque impulsion une puissance de crête plus élevée.

L’effet combiné de ces deux tactiques – le confinement spatio-temporel de la lumière – est d’augmenter considérablement la force de la non-linéarité pour une énergie d’impulsion donnée, ce qui signifie que les photons s’influencent désormais beaucoup plus fortement.

Le résultat net est la création d’un séparateur non linéaire dans lequel les impulsions lumineuses sont acheminées vers deux sorties différentes en fonction de leurs énergies, permettant de commuter en moins de 50 femtosecondes (une femtoseconde est un quadrillionième de seconde). En comparaison, les commutateurs électroniques de pointe prennent des dizaines de picosecondes (une picoseconde est un billionième de seconde), une différence de plusieurs ordres de grandeur.

L’article s’intitule “Commutation tout optique femtojoule femtoseconde dans la nanophotonique au niobate de lithium”.


La dextérité de la lumière est la clé d’un meilleur contrôle optique


Plus d’information:
Qiushi Guo et al, Circuit tout optique femtojoule femtoseconde dans la nanophotonique au niobate de lithium, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01044-5

Fourni par le California Institute of Technology

Devis: Un nouveau commutateur optique pourrait conduire à un traitement ultrarapide du signal tout optique (1er août 2022, récupéré le 1er août 2022 sur https://phys.org/news/2022-08-optical-ultrafast-all-optical.html

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