Des LED de l’épaisseur d’un cheveu pourraient remplacer les lasers

Debra Herrick

Des LED pas plus larges qu’un cheveu humain pourraient bientôt se charger de tâches traditionnellement confiées aux lasers, du transfert de données dans les baies de serveurs à l’alimentation des écrans de nouvelle génération. Une nouvelle recherche co-écrite par Roark Chao, doctorant à l’UC Santa Barbara, pointe une voie pratique vers cet avenir.

« Nous parlons de dispositifs littéralement de la taille d’un follicule pileux », explique Chao, qui étudie l’ingénierie électrique. « Si on peut maîtriser la façon dont la lumière est émise, ces microLED peuvent commencer à remplacer les lasers pour la communication de données à courte distance. »

Ces travaux s’appuient sur les forces de longue date de l’UCSB dans la recherche sur le nitrure de gallium et l’optoélectronique. Chao est co-encadré par Steven P. DenBaars et Jon A. Schuller, tous deux co-auteurs de l’étude, qui inclut également le prix Nobel Shuji Nakamura, dont les travaux pionniers sur les LED bleues ont révolutionné l’éclairage et les technologies d’affichage dans le monde. La recherche a été menée dans les laboratoires des groupes DenBaars/Nakamura et Schuller, où les équipes se concentrent sur la croissance des matériaux en nitrure de gallium et la photonique à l’échelle nanométrique.

L’étude, publiée dans Optica Express, démontre une nouvelle conception de micro-diode électroluminescente (microLED) qui améliore à la fois l’efficacité et la directivité du faisceau. En encerclant latéralement la zone d’émission avec des réflecteurs de Bragg distribués, les chercheurs ont obtenu une puissance optique sortante supérieure d’environ 20 % par émission côté air, plus de 130 % plus élevée côté substrat, et une divergence du faisceau réduite d’environ 30 % par rapport aux dispositifs de référence.

Au-delà d’une direction de la lumière plus précise, les microLEDs redessinées offrent également une efficacité nettement supérieure. L’équipe a observé une efficacité électrique supérieure d’environ 35 % et une efficacité énergétique (wall-plug) supérieure d’environ 46 % — ce qui signifie que les dispositifs convertissent une part bien plus importante de l’énergie électrique prélevée sur le secteur en lumière utilisable, comparé aux conceptions conventionnelles de microLED.

Les microLEDs — typiquement de 100 microns de large ou moins — émergent comme une alternative prometteuse aux lasers pour les liaisons optiques à courte portée, en particulier dans les centres de données où la chaleur, la fiabilité et la consommation d’énergie sont des défis permanents.

« Le gros problème avec les lasers, c’est qu’ils commencent à avoir des problèmes thermiques à des températures relativement basses », souligne Chao. « Les microLEDs peuvent être poussées à des températures bien plus élevées sans nécessiter de refroidissement complexe. Cela signifie moins de remplacements, moins de coûts et plus de flexibilité dans les centres de données. »

Alors que l’informatique en nuage et l’IA continuent de se développer, les centres de données doivent transmettre des volumes massifs d’informations rapidement et efficacement. Même des améliorations incrémentielles des sources lumineuses peuvent avoir un impact économique significatif.

« Ce qui est passionnant avec les microLEDs, c’est qu’elles offrent plusieurs solutions dans un seul dispositif », affirme Chao. « Elles peuvent améliorer la communication de données, permettre des écrans plus lumineux et plus fins, et même fonctionner pour des applications comme la RA ou la RV — le tout en utilisant la même technologie sous-jacente. »

Chao a commencé à l’UCSB en tant qu’étudiant en ingénierie électrique en 2020 avant de poursuivre en recherche doctorale. Il attribue à l’infrastructure de recherche intégrée de l’université — de la croissance des matériaux à la nanofabrication en passant par les tests de dispositifs — l’accélération de ses travaux.

« Vous pouvez simuler un design, faire croître le cristal, fabriquer le dispositif et le tester — le tout sur le campus », révèle Chao. « C’est cette rapidité entre l’idée et l’expérience qui rend cet endroit si puissant. »

Ces résultats figurent dans un article co-écrit par Chao, Stephen Gee, Alejandro M. Quevedo, Wesley K. Mills, Tanay Tak, Hunter S. Larson, Kent N. Nitta, Nakamura, Schuller et DenBaars.

Article : Enhanced emission efficiency and directionality in InGaN/GaN microLEDs laterally enclosed by distributed Bragg reflectors – Journal : Optica