Puce optoélectronique en métal

Les composants optiques pour la microélectronique doivent être fabriqués en verre. Les métaux ne s'y prêtent pas, car l'information optique ne peut s'y propager que sur une distance de 100 micromètres au maximum. C'était jusqu'à récemment l'opinion courante des scientifiques. Des chercheurs dirigés par Jürg Leuthold, professeur au Département de la technologie de l'information et de l'électrotechnique, ont rendu possible ce qui semblait impossible : ils ont développé un élément de construction en métal qui traite la lumière. C'est ce qu'ils rapportent dans le dernier numéro de la revue spécialisée page externeScience.

Ils ont réussi ce tour de force en construisant l'élément suffisamment petit. Il ne mesure que 3 x 36 micromètres et se situe donc dans une plage de taille dans laquelle les informations optiques et électriques peuvent se propager dans les métaux.

Composant pour les réseaux de fibres optiques

Le composant est un modulateur. Les modulateurs convertissent les signaux de données électriques en signaux optiques. Ils sont intégrés dans les routeurs Internet modernes pour le réseau de fibres optiques et permettent des connexions de données par fibres optiques entre les unités informatiques dans les centres de calcul. Les composants utilisés aujourd'hui de manière standard fonctionnent toutefois de manière fondamentalement différente du nouveau modulateur.

Le principe de fonctionnement du nouveau composant : La lumière provenant d'une fibre optique est dirigée vers le modulateur et fait osciller les électrons à sa surface. Les experts parlent alors d'oscillation plasmonique. Cette oscillation peut être modifiée indirectement par des impulsions électriques de données. Si l'oscillation des électrons est reconvertie en lumière, il en résulte un signal lumineux qui est pulsé en conséquence. L'information a ainsi été convertie d'une impulsion de données électrique en une impulsion de données optique et peut maintenant être transportée dans des fibres optiques.

Encore plus rapide et plus petit

Il y a deux ans déjà, Leuthold et ses collègues avaient développé un tel modulateur plasmonique (Actualités ETH rapporté). Il s'agissait alors du modulateur le plus petit et le plus rapide jamais construit. A l'époque, divers composants en verre étaient toutefois intégrés à la puce semi-conductrice.

En rempla?ant maintenant tous les composants en verre par des composants métalliques, les scientifiques ont réussi à construire un modulateur encore plus petit, qui fonctionne à une vitesse encore plus élevée. "Dans les métaux, les électrons peuvent se déplacer pratiquement à n'importe quelle vitesse, ce qui n'est pas le cas dans le verre, où il existe une limite supérieure de vitesse imposée par la physique", explique Masafumi Ayata, doctorant dans le groupe de Leutholt et premier auteur de l'étude. Lors de l'expérience, les chercheurs ont pu transmettre des données à 116 gigabits par seconde. Ils se montrent convaincus qu'avec des optimisations, il est même possible d'atteindre des taux de transfert de données encore plus élevés.

Gravé à partir d'une couche d'or

Le prototype de modulateur testé par les chercheurs de l'ETH est fabriqué à partir d'une couche d'or qui repose sur une surface de verre. Comme le soulignent les scientifiques, le support en verre n'a aucune fonction. "Au lieu d'un support en verre, nous pouvons utiliser toute autre surface lisse appropriée", explique Leuthold. Et au lieu de l'or, on pourrait aussi utiliser le cuivre, moins cher, pour les applications industrielles. Ce qui est central, c'est que le nouveau modulateur ne nécessite qu'un revêtement métallique. "Cela rend la fabrication très simple et bon marché", explique Leuthold.

Afin de mettre le nouveau modulateur en pratique, les chercheurs travaillent déjà avec un partenaire industriel et sont en discussion avec d'autres partenaires. Leuthold estime toutefois qu'il existe encore un potentiel de développement jusqu'à la commercialisation. Il s'attend ainsi à ce qu'une perte actuelle de l'intensité du signal lors de la modulation puisse encore être réduite.

Pour les ordinateurs et les véhicules autonomes

Le nouveau modulateur pourrait un jour être utilisé non seulement dans le domaine des télécommunications, mais aussi dans les ordinateurs. "L'industrie informatique réfléchit à la possibilité de transmettre des données à l'intérieur des ordinateurs entre les différentes puces à l'aide de fibres optiques", explique Leuthold. Mais pour cela, il faut de minuscules modulateurs, comme ceux que Leuthold et son équipe viennent de développer.

Enfin, il serait également envisageable d'utiliser les modulateurs dans des écrans - même flexibles - ainsi que dans des capteurs optiques. Un exemple serait les systèmes Lidar pour la mesure des distances, utilisés dans les véhicules (partiellement) autonomes.