Un "interrupteur" ultra-rapide pour les futures voitures et ordinateurs

Depuis quelques années, les voitures autopilotées sont de plus en plus performantes et fiables. Mais avant qu'elles ne soient bient?t autorisées à circuler de manière totalement autonome sur les routes, il reste encore quelques obstacles à surmonter. C'est surtout la saisie ultra-rapide de l'environnement et la détection de personnes et d'obstacles qui poussent les technologies actuelles à leurs limites.

Des scientifiques autour de Jürg Leuthold de l'Institut des champs électromagnétiques à l'ETH Zurich ont maintenant développé, en collaboration avec des collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux ?tats-Unis et de la Chalmers University à G?teborg (Suède), un nouveau type de commutateur électro-optomécanique qui permettra peut-être à l'avenir de résoudre élégamment les deux problèmes.

La plasmonique, un outil magique

La formule magique utilisée par les chercheurs s'appelle la plasmonique. Cette technique consiste à forcer les ondes lumineuses dans des structures beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière - ce qui est en fait impossible selon les lois de l'optique. Cela est rendu possible par le fait que la lumière est guidée le long de l'interface entre un métal et un diélectrique, c'est-à-dire une substance peu ou pas conductrice d'électricité comme l'air ou le verre.

Les ondes électromagnétiques de la lumière pénètrent alors partiellement dans le métal et y font osciller des électrons, créant ainsi un être hybride entre onde lumineuse et excitation électronique : le plasmon.

Il y a plus de dix ans, des physiciens de renom prédisaient déjà que les commutateurs optiques basés sur les plasmons pourraient annoncer une révolution dans la transmission et le traitement des données, ces deux domaines étant beaucoup plus rapides avec des photons qu'avec l'électronique traditionnelle. Jusqu'à présent, les applications commerciales ont toutefois échoué en raison des pertes importantes qui surviennent lors du transport des photons à travers les composants plasmoniques et des tensions de commutation élevées nécessaires.

Les forces de la plasmonique exploitées

"Nous avons maintenant résolu ces problèmes en exploitant les bonnes propriétés de la plasmonique et en minimisant les mauvaises", explique le post-doctorant Christian Haffner, premier auteur de l'article de Science qui vient d'être publié et qui a dirigé le projet. Le c?ur du commutateur électro-opto-mécanique développé par Haffner et ses collègues est une membrane en or de seulement 40 nanomètres d'épaisseur et de quelques micromètres de large, séparée d'un substrat en silicium par un disque d'oxyde d'aluminium.

La taille de l'interstice entre la membrane d'or et le substrat peut être contr?lée mécaniquement par des forces électriques. Si l'on applique une tension, la membrane se plie légèrement et l'espace se réduit.

La taille de l'interstice détermine si une onde lumineuse continue à voler tout droit ou si elle est déviée autour de la membrane d'or. C'est ici que les plasmons entrent en jeu : pour une largeur de fente donnée, seuls les plasmons d'une longueur d'onde donnée peuvent être excités sur la membrane d'or. Si la lumière a une autre longueur d'onde, elle n'est pas couplée à la membrane et se propage en ligne droite dans le guide d'ondes en silicium.

Faibles pertes et tension de commutation

"En utilisant des plasmons uniquement pour la courte portion autour de la membrane de commutation, nous avons beaucoup moins de pertes que dans les commutateurs électro-optiques existants", explique Haffner. "De plus, nous avons rendu la membrane d'or très petite et très fine, ce qui nous permet de commuter très rapidement et avec une faible tension". Les scientifiques ont d'ores et déjà pu montrer que leur nouvel interrupteur peut être activé et désactivé plusieurs millions de fois par seconde, et ce avec une tension électrique d'un peu plus d'un volt seulement.

Cela rend superflus les amplificateurs encombrants et gourmands en énergie, comme c'était le cas jusqu'à présent pour les commutateurs électro-optiques. A l'avenir, les chercheurs veulent encore améliorer leur commutateur en réduisant encore l'espace entre l'or et le silicium. Cela permettrait de réduire considérablement les pertes de lumière ainsi que la tension de commande.

De la voiture aux technologies quantiques

Le potentiel d'application de ce nouveau commutateur est vaste. Ainsi, les systèmes LIDAR ("Light Detection and Ranging", en fran?ais : mesure de distance assistée par laser) pour les voitures autopilotées, dans lesquels l'intensité et la direction de propagation des rayons lumineux doivent être modifiées extrêmement rapidement, pourraient profiter de ces commutateurs rapides et compacts. Et la reconnaissance des formes, nécessaire au pilotage des voitures, peut également être rendue plus rapide gr?ce à de tels commutateurs.

Pour ce faire, les interrupteurs pourraient être utilisés dans des réseaux neuronaux optiques inspirés du cerveau humain. Ils y seraient utilisés comme éléments de pondération gr?ce auxquels le réseau "apprend" à reconna?tre certains objets - et ce pratiquement à la vitesse de la lumière.

De telles réalisations optiques de circuits qui fonctionnent normalement avec du courant électrique sont également un sujet d'actualité br?lante dans d'autres domaines. Pour la réalisation de technologies quantiques, par exemple (telles qu'elles sont présentées dans le nouveau master récemment lancé Ingénierie quantique enseignés à l'ETH Zurich), les circuits quantiques optiques font également l'objet de recherches intensives. Jusqu'à présent, les circuits quantiques optiques sont soutenus par des commutateurs optiques classiques.

Ces commutateurs sont généralement basés sur une modification de l'indice de réfraction d'un matériau par chauffage, ce qui permet de dévier les rayons lumineux à différents degrés. Cependant, cela ne fonctionne que lentement et est incompatible à long terme avec les basses températures auxquelles d'autres éléments quantiques fonctionnent généralement, comme les bits quantiques ou "qubits" (correspondant aux bits classiques représentant "0" et "1") d'un ordinateur quantique. Un commutateur rapide qui ne s'échauffe pratiquement pas du tout devrait donc être extrêmement bienvenu pour de telles applications.