Un dispositif photonique, développé par le MIT, émet efficacement de la lumière dans l’espace libre

Les puces photoniques utilisent la lumière pour traiter les données au lieu de l’électricité, permettant des vitesses de communication plus rapides et une bande passante accrue. La majeure partie de cette lumière reste généralement sur la puce, piégée dans des fils optiques, et est difficile à transmettre vers le monde extérieur de manière efficace.

Si une grande quantité de lumière pouvait être émise rapidement et avec précision hors de la puce, libérée des contraintes du câblage, cela pourrait ouvrir la voie à des écrans à plus haute résolution, des systèmes Lidar plus petits, des imprimantes 3D plus précises ou des ordinateurs quantiques à plus grande échelle.

Désormais, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont développé une nouvelle classe de dispositifs photoniques qui permettent la diffusion précise de la lumière de la puce vers l’espace libre de manière évolutive.

Leur puce utilise un réseau de structures microscopiques qui se courbent vers le haut, ressemblant à de minuscules tremplins de ski lumineux. Les chercheurs peuvent contrôler avec précision la façon dont la lumière est émise par des milliers de ces minuscules structures simultanément.

Ils ont utilisé cette nouvelle plateforme pour projeter des images détaillées en couleur d’environ la moitié de la taille d’un grain de sel. Utilisée ainsi, cette technologie pourrait contribuer au développement de lunettes de réalité augmentée légères ou d’affichages compacts.

Ils ont également démontré comment les tremplins de ski photoniques pourraient être utilisés pour contrôler avec précision les bits quantiques, ou qubits, dans un système informatique quantique.

« Sur une puce, la lumière voyage dans des fils, mais dans notre monde normal, en espace libre, la lumière voyage où elle veut. L’interface entre ces deux mondes a longtemps été un défi. Mais maintenant, avec cette nouvelle plateforme, nous pouvons créer des milliers de faisceaux laser individuellement contrôlables qui peuvent interagir avec le monde extérieur à la puce en une seule fois« , explique Henry Wen, chercheur invité au Research Laboratory of Electronics (RLE) du MIT, chercheur au MITRE et co-auteur principal d’un article sur la nouvelle plateforme.

Une plateforme évolutive

Ce travail est issu du Quantum Moonshot Program, une collaboration entre le MIT, l’Université du Colorado à Boulder, le MITRE Corporation et les Sandia National Laboratories pour développer une nouvelle plateforme informatique quantique utilisant les qubits à base de diamant développés au laboratoire Englund.

Ces qubits à base de diamant sont contrôlés à l’aide de faisceaux laser, et les chercheurs avaient besoin d’un moyen d’interagir avec des millions de qubits à la fois.

« Nous ne pouvons pas contrôler un million de faisceaux laser, mais nous pourrions avoir besoin de contrôler un million de qubits. Nous avions donc besoin de quelque chose capable de projeter des faisceaux laser dans l’espace libre et de les balayer sur une grande zone, un peu comme lancer un canon à t-shirts dans la foule d’un stade« , explique Wen.

Les méthodes existantes utilisées pour diffuser et orienter la lumière hors d’une puce photonique fonctionnent généralement avec seulement quelques faisceaux à la fois et ne peuvent pas être suffisamment mises à l’échelle pour interagir avec des millions de qubits.

Pour créer une plateforme évolutive, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de fabrication. Leur méthode produit des puces photoniques avec des structures minuscules qui se courbent vers le haut à partir de la surface de la puce pour projeter des faisceaux laser dans l’espace libre.

Ils ont construit ces minuscules « tremplins de ski » pour la lumière en créant des structures à deux couches à partir de deux matériaux différents. Chaque matériau se dilate différemment lorsqu’il refroidit après les températures élevées de fabrication.

Les chercheurs ont conçu les structures avec des motifs spéciaux dans chaque couche de sorte que, lorsque la température change, la différence de contrainte entre les matériaux provoque la courbure de toute la structure vers le haut lors du refroidissement.

C’est le même effet que dans un thermostat ancienne génération, qui utilise une bobine de deux matériaux métalliques qui s’enroulent et se déroulent en fonction de la température ambiante, déclenchant le système CVC. « Ces deux matériaux, le nitrure de silicium et le nitrure d’aluminium, étaient des technologies séparées. Trouver un moyen de les combiner a été la véritable innovation de fabrication qui rend possible les tremplins de ski. Cela n’aurait pas été possible sans les contributions pionnières de Matt Eichenfeld et Andrew Leenheer aux Sandia National Labs« , déclare Wen.

Sur la puce, des guides d’ondes connectés canalisent la lumière vers les structures en forme de tremplin. Les chercheurs utilisent une série de modulateurs pour contrôler rapidement et avec précision l’allumage et l’extinction de cette lumière, leur permettant de projeter la lumière hors de la puce et de la déplacer dans l’espace libre.

Peindre avec la lumière

Ils peuvent diffuser de la lumière de différentes couleurs et, en ajustant les fréquences de la lumière, modifier la densité du motif émis. De cette façon, ils peuvent essentiellement peindre des images dans l’espace libre à l’aide de la lumière.

« Ce système est si stable que nous n’avons même pas besoin de corriger les erreurs. Le motif reste parfaitement immobile tout seul. Nous calculons simplement quelles couleurs de laser doivent être allumées à un moment donné, puis nous les activons« , dit-il.

Parce que les points de lumière individuels, ou pixels, sont si minuscules, les chercheurs peuvent utiliser cette plateforme pour générer des affichages d’une résolution extrêmement élevée. Par exemple, avec leur technique, 30 000 pixels peuvent être placés dans la même zone qui ne peut contenir que deux pixels dans les écrans de smartphone, affirme Wen.

« Notre plateforme est le moteur optique idéal car nos pixels sont à la limite physique de la taille minimale qu’un pixel peut atteindre« , ajoute-t-il.

Au-delà des affichages haute résolution et des ordinateurs quantiques plus grands avec des qubits à base de diamant, la méthode pourrait être utilisée pour produire des Lidars suffisamment petits pour tenir sur de minuscules robots.

Elle pourrait également être utilisée dans des procédés d’impression 3D qui fabriquent des objets en utilisant des lasers pour polymériser des couches de résine. Parce que leur puce génère des faisceaux de lumière contrôlables si rapidement, elle pourrait considérablement augmenter la vitesse de ces procédés d’impression, permettant aux utilisateurs de créer des objets plus complexes.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent augmenter la taille de leur système et mener des expériences supplémentaires sur le rendement et l’uniformité de la lumière, concevoir un système plus grand pour capter la lumière d’un réseau de puces photoniques avec des tremplins de ski, et effectuer des tests de robustesse pour voir combien de temps durent les dispositifs.

« Nous imaginons que cela ouvre la porte à une nouvelle classe de capacités de laboratoire sur puce et d’agents micro-optorobotiques définis par lithographie« , conclut Wen.

Il est rejoint dans l’article par les co-premiers auteurs Matt Saha, du MITRE ; Andrew S. Greenspon, chercheur invité au RLE et au MITRE ; Matthew Zimmermann, du MITRE ; Matt Eichenfeld, professeur à l’Université d’Arizona ; l’auteur principal Dirk Englund, professeur au MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science et chercheur principal du Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group et du RLE ; ainsi que d’autres collaborateurs du MIT, du MITRE, des Sandia National Laboratories et de l’Université d’Arizona. La recherche est publiée aujourd’hui dans Nature.

Article : Nanophotonic waveguide chip-to-world beam scanning – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude