Les dernières années ont vu une augmentation massive de la quantité de données transférées et traitées par seconde. Des technologies émergentes telles que les communications quantiques de haute dimension, les réseaux neuronaux à grande échelle et les réseaux à haute capacité nécessitent de grandes bandes passantes et des vitesses de transfert de données élevées.
Une façon plausible de les atteindre consiste à remplacer les fils métalliques conventionnels entre les composants d’un système électronique par des interconnexions optiques, c’est-à-dire à utiliser la lumière au lieu de l’électricité pour établir des canaux de transfert de données.
Les interconnexions optiques peuvent fournir des vitesses incroyablement élevées grâce à une technique appelée multiplexage en mode de division (MDM). Grâce à des structures appelées guides d’ondes conçues avec précision, la lumière peut se propager dans des motifs spécifiques appelés « modes« .
Comme de multiples modes peuvent se propager simultanément dans le même milieu sans s’interférer, ils agissent efficacement comme des canaux de données séparés, 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 de l’appareil 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’empreinte de circuit résultante importante.
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 lumineux. L’équipe a réussi à employer cette technique dans un système MDM, atteignant des débits de données sans précédent.
Un design innovant pour un coupleur de modes lumineux
Le principal point fort de la recherche est une conception innovante pour un coupleur de modes lumineux, une structure qui peut manipuler un mode lumineux spécifique se déplaçant dans un guide d’ondes à proximité, tel qu’un nanofil transportant le signal multi-mode total. Le coupleur peut injecter un mode lumineux souhaité dans le guide d’ondes ou en extraire un, l’envoyant vers un chemin différent.
Les chercheurs ont adapté l’indice de réfraction du coupleur de manière à interagir fortement avec le mode lumineux souhaité dans une large gamme de région de couplage en présence d’erreurs de fabrication, réalisant ainsi un coefficient de couplage élevé. Ils ont réalisé cela en tirant parti d’un guide d’ondes à gradient d’indice métamatériau (GIM).
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Contrairement aux matériaux habituels, le GIM présentait un indice de réfraction qui variait continuellement le long de la direction de propagation de la lumière. Cela, à son tour, a facilité une transition harmonieuse et efficace des modes lumineux individuels vers et depuis le bus de nanofils en atténuant les variations de paramètres des guides d’ondes.
Un système de communication MDM à 16 canaux
En cascadant de multiples coupleurs, les chercheurs ont créé un système de communication MDM à 16 canaux qui prenait en charge 16 modes lumineux différents – TE0 à TE15 – simultanément.
Dans une expérience de transmission de données, il a atteint un débit de données de 2,162 Tbit/s, la valeur la plus élevée jamais signalée 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 à semiconducteurs, telles que la lithographie par faisceau d’électrons, la gravure plasma et le dépôt chimique en phase vapeur. Cela a rendu la conception facilement extensible et compatible avec la technologie de fabrication actuellement disponible.
En synthèse
Dans l’ensemble, la stratégie de couplage proposée utilisant une structure GIM peut fournir une impulsion très nécessaire aux débits de données, en particulier dans les domaines où les transmissions de données parallèles à grande échelle et les calculs sont courants. Cela pourrait se traduire par de nouveaux repères dans l’accélération matérielle, les réseaux neuronaux à grande échelle et les communications quantiques.
Article : « On-chip metamaterial-enabled high-order mode-division multiplexing » – DOI: 10.1117/1.AP.5.5.056008
Pour plus de détails, lire l’article Gold Open Access de He et al, « On-chip metamaterial-enabled high-order mode-division multiplexing », Adv. Photon. 5(5) 056008 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.5.056008.
