Le contrôle de la lumière à l’échelle nanométrique pourrait révolutionner les TIC
L’électronique consiste à manipuler les électrons pour qu’ils accomplissent des tâches utiles. La miniaturisation de cette technologie a permis aux ordinateurs actuels de contenir des milliards de transistors électroniques, réalisant de nombreuses opérations complexes. «La photonique repose sur une idée similaire, mais au lieu des électrons, nous nous intéressons aux photons, les particules élémentaires de la lumière», explique Sergey Kruk, chercheur du projet Nanophotonics, actuellement à l’université nationale australienne. «Si nous parvenons à contrôler les photons, nous pourrions en faire des vecteurs d’information utiles. L’échange d’informations par la lumière plutôt que par l’électricité est beaucoup plus rapide et potentiellement plus efficace sur le plan énergétique.»
Miniaturiser la technologie photonique
Le projet a été coordonné par l’université de Paderborn, en Allemagne, et soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie. Il s’est concentré sur la façon de miniaturiser une technologie photonique particulière, un isolateur optique, de la même manière que l’électronique a été miniaturisée au cours du siècle dernier. Grâce à la technologie des semi-conducteurs, les systèmes électroniques peuvent désormais intégrer non plus quelques transistors, mais des millions, voire des milliards d’entre eux. Le projet Nanophotonics entendait faire quelque chose de similaire avec la photonique. Au lieu de diodes et de transistors, la photonique recourt à ces isolateurs optiques, qui remplissent des fonctions largement similaires à celles de leurs analogues électroniques. «La technologie des isolateurs optiques en est à peu près au même stade que les diodes électriques au cours de la première moitié du XXe siècle», ajoute Sergey Kruk. «Ils sont disponibles dans le commerce, mais ils mesurent généralement quelques centimètres et peuvent coûter des centaines, voire des milliers d’euros chacun.» Il n’est donc pas possible, à l’heure actuelle, d’intégrer des milliards d’isolateurs optiques dans une seule puce photonique, par exemple. La fabrication d’isolateurs optiques à l’échelle nanométrique pourrait toutefois révolutionner la photonique et ouvrir le marché des technologies photoniques de l’information et de la communication.
Développer des isolateurs optiques à l’échelle nanométrique
Sergey Kruk a voulu montrer que c’était possible. Il a débuté le projet en concevant des isolateurs optiques à l’échelle nanométrique à l’aide de simulations informatiques. «Nous pouvons les comparer à des panneaux de signalisation qui dirigent le trafic», explique-t-il. «Nos éléments à l’échelle nanométrique garantissent que la lumière circule dans une direction particulière, de la même manière que les panneaux de signalisation contrôlent le trafic sur une route très fréquentée.» Ces minuscules composants ont ensuite été fabriqués dans une salle blanche, le type d’environnement dans lequel les puces électroniques sont conçues. Les composants ont ensuite été testés dans un laboratoire laser. «Nous avons envoyé un faisceau de lumière laser dans ces structures pour voir ce qu’il se passerait», explique Sergey Kruk. Une lame translucide structurée à l’échelle nanométrique a fait l’objet d’une démonstration intéressante. Lorsque la lumière traverse la lame, une image codée est visible, mais lorsque vous la retournez et que vous la regardez à nouveau, une image complètement différente est visible à travers elle. «Cette paire d’images n’était qu’une démonstration d’un nombre inexploité de possibilités», note Sergey Kruk.
L’avenir de la photonique
Le projet Nanophotonics a permis de démontrer le potentiel de conception et de fabrication d’isolateurs optiques à l’échelle nanométrique. Il s’agit d’une étape importante vers la miniaturisation de la technologie photonique. «La photonique a déjà commencé à remplacer l’électronique à grande échelle», ajoute Sergey Kruk. «Par exemple, je vous parle en ce moment depuis l’Australie via une fibre optique qui passe sous l’océan. La plupart des communications à longue distance se font presque exclusivement par le biais d’ondes électromagnétiques telles que la lumière infrarouge, qui circulent dans des fibres optiques.» La prochaine étape logique consiste donc à affiner et à miniaturiser davantage la technologie photonique et à intégrer des éléments optiques dans des dispositifs individuels.
Mots‑clés
Nanophotonics, échelle nanométrique, photonique, électrons, ordinateurs, transistors, optique
