Nouvelle stratégie basée sur les métamatériaux pour combiner et transmettre plusieurs modes de lumière

Ces dernières années ont été marquées par une augmentation massive de la quantité de données transférées et traitées par seconde. Les technologies émergentes rapidement, telles que les communications quantiques de grande dimension, les réseaux neuronaux à grande échelle et les réseaux à haute capacité, nécessitent de larges bandes passantes et des vitesses de transfert de données élevées. Une façon plausible d’y parvenir consiste à remplacer les fils métalliques conventionnels entre les composants d’un système électronique par des interconnexions optiques, c’est-à-dire en utilisant la lumière au lieu de l’électricité pour établir des canaux de transfert de données.

Les interconnexions optiques peuvent fournir des vitesses incroyablement élevées via une technique connue sous le nom de multiplexage par répartition en mode (MDM). Grâce à des structures conçues avec précision appelées guides d’ondes, la lumière peut se propager selon des modèles spécifiques appelés « modes ». Étant donné que plusieurs modes peuvent se propager simultanément sur le même support sans interférer les uns avec les autres, ils agissent effectivement comme des canaux de données distincts, augmentant ainsi le taux de transfert de données global du système.

Cependant, la vitesse des systèmes MDM signalée jusqu’à présent a été limitée, principalement en raison des imperfections dans la fabrication du dispositif qui provoquent des variations de l’indice de réfraction des guides d’ondes. Une façon d’atténuer les imperfections consiste à concevoir soigneusement les indices de réfraction des guides d’ondes en optimisant la structure et la composition. Malheureusement, les méthodes actuellement disponibles sont limitées soit par le choix des matériaux, soit par l’encombrement important du circuit qui en résulte.

Dans ce contexte, une équipe de recherche comprenant le professeur Yikai Su de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine a cherché à développer une nouvelle approche pour coupler (ou combiner) différents modes d’éclairage. Comme le rapporte leur étude Publié dans Photonique avancéel’équipe a utilisé avec succès cette technique dans un système MDM, atteignant des débits de données sans précédent.

Le point culminant de la recherche est une conception innovante d’un coupleur de mode lumière, une structure capable de manipuler un mode de lumière spécifique se déplaçant dans un guide d’onde de bus à proximité, tel qu’un nanofil transportant le signal multimode total. Le coupleur peut injecter un mode lumineux souhaité dans le guide d’ondes du bus ou en extraire un, en l’envoyant vers un chemin différent.

Les chercheurs ont adapté l’indice de réfraction du coupleur de telle sorte qu’il interagisse fortement avec le mode lumineux souhaité dans une large gamme de régions de couplage en présence d’erreurs de fabrication, réalisant ainsi un coefficient de couplage élevé. Ils y sont parvenus en exploitant un guide d’ondes en métamatériau à gradient d’indice (GIM).

Contrairement aux matériaux habituels, le GIM présentait un indice de réfraction qui variait continuellement dans la direction de propagation de la lumière. Ceci, à son tour, a facilité une transition transparente et efficace des modes de lumière individuels vers et depuis le bus nanofil en atténuant les variations des paramètres des guides d’ondes.

En mettant en cascade plusieurs coupleurs, les chercheurs ont créé un système de communication MDM à 16 canaux prenant en charge simultanément 16 modes d’éclairage différents (TE0 à TE15). Lors d’une expérience de transmission de données, il a atteint un taux de transfert de données de 2,162 Tbit/s, la valeur la plus élevée jamais rapportée pour un dispositif sur puce fonctionnant à une seule longueur d’onde.

De plus, le système a été fabriqué à l’aide de méthodes compatibles avec la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, telles que la lithographie par faisceau d’électrons, la gravure au plasma et le dépôt chimique en phase vapeur. Cela a rendu la conception facilement évolutive et compatible avec la technologie de fabrication actuellement disponible.

Dans l’ensemble, la stratégie de couplage proposée utilisant une structure GIM pourrait fournir une augmentation indispensable des débits de données, en particulier dans les domaines où les transmissions de données et les calculs parallèles à grande échelle sont courants. Cela pourrait se traduire par de nouvelles références en matière d’accélération matérielle, de réseaux neuronaux à grande échelle et de communications quantiques.