Un nouveau type de commutateur optique utilisant un point quantique

Un commutateur optique développé au Joint Quantum Institute (JQI) stimule l'intégration de la photonique et de l'électronique.

Quoi, l'électronique ne suffit-elle pas ? Rien ne voyage plus vite que la lumière, et compte tenu du temps et des efforts consacrés au traitement et à la transmission rapides des connaissances, l'utilisation combinée de photons et d'électrons est souhaitable pour développer un protocole optoélectronique exploitable. Le commutateur JQI peut orienter un faisceau lumineux d'une direction à une autre en seulement 120 picosecondes, ne nécessitant qu'une puissance minime, pas plus de 90 attojoules. À la longueur d'onde utilisée, dans le proche infrarouge, cela représente environ 140 photons. Il s'agit en fait de la configuration d'un guide d'ondes constitué d'un cristal photonique, un dispositif performant intégré au domaine de la transmission par fibre optique .

Un point quantique est placé dans une minuscule zone exempte de trous. La lumière est distribuée dans et hors du guide d'ondes via des embouts. Si elle est correctement synchronisée, une impulsion laser de pompage permet à l'impulsion de sonde de sortir latéralement. Lorsque les faisceaux de sonde et de pompage ne sont pas alignés, le faisceau de sonde sort par l'extrémité du guide d'ondes. La pièce maîtresse de la plupart des appareils électroniques est le transistor, un composant à semi-conducteurs où un signal de grille est utilisé pour alimenter une minuscule voie conductrice à proximité, activant et désactivant ainsi le passage du signal d'information.

Le processus analogue en photonique serait un composant à semi-conducteurs fournissant une porte, autorisant ou bloquant le passage de la lumière à travers un guide d'ondes proche, ou servant de routeur pour commuter les faisceaux dans différentes directions. Dans le cadre de l'expérience JQI, préparée et menée à l'Université du Maryland et au National Institute for Standards and Technology (NIST) par Edo Waks et ses collègues, un commutateur tout optique a été créé à l'aide d'une boîte quantique placée dans la cavité résonante. La boîte, constituée d'un sandwich de la taille d'un nanomètre d'indium et d'arsenic, est si minuscule que les électrons qui s'y déplacent ne peuvent émettre de la lumière qu'à des longueurs d'onde discrètes, comme si la boîte était un atome. La boîte quantique est logée dans un cristal photonique, un matériau qui a été lassé de nombreux petits trous.

Les trous empêchent le passage de la lumière solaire à travers le cristal, sauf dans une étroite gamme de longueurs d'onde. En réalité, le point se trouve dans la petite arcade dépourvue de trous, qui agit comme une cavité résonante. Lorsque la lumière traverse le guide d'ondes voisin, une grande partie pénètre dans la cavité, où elle interagit avec le point quantique. C'est cette interaction qui pourrait transformer les propriétés de transmission du guide d'ondes. Bien que 140 photons soient nécessaires dans le guide d'ondes pour créer une commutation, seuls 6 photons environ sont nécessaires pour provoquer la modulation du point quantique, et donc l'activation de l'interrupteur.

Les commutateurs optiques précédents ne fonctionnaient qu'en utilisant des cristaux non linéaires volumineux et une puissance d'entrée élevée. Le commutateur JQI, en comparaison, réalise des interactions hautement non linéaires grâce à une seule boîte quantique et une très faible puissance d'entrée. La commutation ne nécessitait que 90 attojoules de puissance, soit environ cinq fois moins que le meilleur dispositif précédemment décrit, fabriqué dans des laboratoires japonais, qui consommait lui-même 100 fois moins d'énergie que les autres commutateurs tout optiques. Le commutateur japonais présente toutefois l'avantage de fonctionner à température ambiante, car le commutateur JQI nécessite une température proche de 40 K.

Poursuivons notre analogie avec l'électronique : la lumière voyageant sur le guide d'ondes au moyen d'un faisceau porteur d'informations pourrait être commutée d'une direction à l'autre grâce à la présence d'une seconde impulsion, un faisceau de contrôle. Pour diriger le faisceau sonde vers le côté opposé au dispositif, le faisceau de pompage, légèrement désaccordé, doit arriver simultanément avec le faisceau sonde, c'est-à-dire en résonance avec le point quantique. Ce dernier se trouve juste à côté des languettes centrales du guide d'ondes, à l'intérieur de la cavité. La température du point quantique est réglée pour entrer en résonance avec la cavité, ce qui crée un couplage fort. Si le faisceau de pompage n'atteint pas le point sonde en même temps, ce dernier sortira dans une autre direction.