UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie – Une nouvelle technologie qui peut permettre un meilleur contrôle de la lumière sans nécessiter de grands matériaux et structures difficiles à intégrer a été développée par les chercheurs de Penn State. La nouvelle puce photonique intégrée pourrait permettre de nombreuses avancées dans le domaine optique et l’industrie, allant des améliorations des lunettes de réalité virtuelle à la télédétection optique, selon les chercheurs.

Dirigée par Xingjie Ni, professeur adjoint de génie électrique, la recherche a été récemment publiée dans Progrès scientifiques. Les candidats au doctorat en génie électrique de Penn State Xuexue Guo, Yimin Ding, Xi Chen et Yao Duan étaient co-auteurs de l’article.

Traditionnellement, les scientifiques avaient deux options pour contrôler la lumière à utiliser dans divers appareils optiques. Le premier est un circuit intégré photonique (PIC) qui peut être incorporé sur de petites puces mais qui a une capacité limitée à contrôler la lumière de l’espace libre – la lumière se propageant dans l’air, l’espace extra-atmosphérique ou un vide, par opposition à être guidée dans des fibres ou d’autres guides d’ondes. La seconde est une métasurface nouvellement émergente – une couche mince artificiellement conçue qui permet la manipulation de la lumière à une échelle de sous-longueur d’onde mais ne peut pas être intégrée sur une puce.

Ni et ses collègues chercheurs ont résolu ce problème en incorporant les meilleures qualités des deux options précédentes dans une nouvelle architecture photonique hybride qui intègre des métasurfaces sur une puce PIC tout en maintenant une contrôlabilité élevée de la lumière.

«Cette incorporation des PIC et des métasurfaces permet de piloter les métasurfaces en utilisant des ondes guidées à l’intérieur des PIC», a déclaré Ni. «Il permet d’acheminer la lumière entre différentes métasurfaces, effectuant plusieurs fonctions complexes sur une seule puce.»

Ce nouveau développement pourrait avoir des applications dans les communications optiques, la télédétection optique – LiDAR – interconnexions optiques en espace libre pour les centres de données et les écrans de réalité virtuelle et de réalité augmentée.

«La technologie développée ouvrira des voies passionnantes pour la construction de dispositifs PIC multifonctionnels avec un accès flexible à l’espace libre ainsi que des métasurfaces guidées et pilotées par ondes avec une capacité d’intégration complète sur puce», a déclaré Ni.

Selon Ni, les aspects les plus intrigants de ses recherches sont les implications pour les développements futurs et le succès de la combinaison des meilleurs traits de la technologie existante.

«Je pense que la partie la plus intéressante de la recherche est que nous avons combiné deux technologies puissantes aux capacités complémentaires – la photonique intégrée et les métasurfaces», a-t-il déclaré. «Notre système hybride présente les avantages à la fois des métasurfaces et des PIC. De plus, notre conception est hautement flexible et modulaire. Une bibliothèque de blocs de construction peut être établie pour réutiliser et créer des composants fonctionnels cohérents sur divers appareils ou systèmes. »

Le financement de cette recherche est venu de la Gordon and Betty Moore Foundation, du National Aeronautics and Space Administration Early Career Faculty Award, de l’Office of Naval Research et du Penn State Materials Research Science and Engineering Center.