Les métasurfaces sont des surfaces bidimensionnelles (2D) nano-ingéniérées qui interagissent fortement avec les ondes électromagnétiques et peuvent contrôler la lumière avec une précision remarquable. Ces couches ultra-minces peuvent être utilisées pour développer un large éventail de technologies avancées, notamment des systèmes optiques, photoniques, de détection et de communication.
Les métasurfaces actives, dont la réponse électromagnétique peut être ajustée dynamiquement en temps réel, sont particulièrement prometteuses pour des applications avancées du monde réel, notamment pour le développement d'antennes reconfigurables, de capteurs hautement sensibles et d'autres systèmes adaptatifs. Ces métasurfaces peuvent également servir de modulateurs optiques, des dispositifs qui ajustent l'intensité ou la phase de la lumière et permettent ainsi l'encodage d'informations sur des faisceaux lumineux.
Bien que les ingénieurs aient introduit divers modulateurs optiques basés sur les métasurfaces au cours des dernières années, la plupart des dispositifs développés jusqu'à présent nécessitent des signaux électriques à haute tension pour fonctionner. Cela signifie que pour modifier sensiblement la réponse optique des métasurfaces sur lesquelles elles sont basées, les utilisateurs doivent leur appliquer un champ électrique puissant.
Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont récemment introduit une nouvelle métasurface hybride combinant des nanostructures de silicium avec une couche électro-optique organique, capable de moduler la lumière à très basse tension. Cette métasurface prometteuse, présentée dans un article publié dans Nature Nanotechnologiepourrait être utilisé pour développer de nouvelles technologies optiques à faible consommation et à grande vitesse.
« Les métasurfaces actives incorporant des matériaux électro-optiques permettent des modulateurs optiques à grande vitesse en espace libre qui s'avèrent très prometteurs pour un large éventail d'applications, notamment la communication optique, la détection et l'informatique », ont écrit Go Soma, Koto Ariu et leurs collègues dans leur article.
« Cependant, les longueurs limitées d'interaction lumière-matière dans les métasurfaces nécessitent généralement des tensions de commande élevées dépassant des dizaines de volts pour obtenir une modulation satisfaisante. Nous présentons des modulateurs optiques en espace libre basse tension et haute vitesse basés sur des métasurfaces hybrides silicium-organique avec des nanostructures à base de réseaux dimérisés. «
Notamment, la métasurface hybride conçue par Soma, Ariu et leurs collègues est compatible avec les processus de nanofabrication de dispositifs complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) existants, ce qui signifie qu'elle pourrait être plus facile à combiner avec des dispositifs existants et à déployer dans des environnements réels. La métasurface confine efficacement la lumière dans des nanostructures soigneusement conçues, ce qui améliore finalement ses capacités de modulation.
Lors des premiers tests, il a été constaté que la métasurface modulait la lumière à des vitesses remarquables, tout en nécessitant de faibles tensions pour fonctionner. Par conséquent, par rapport aux modulateurs optiques basés sur la métasurface développés précédemment, la métasurface de l'équipe pourrait réduire considérablement la consommation d'énergie.
« En exploitant un mode de résonance à Q élevé, la lumière normalement incidente est efficacement piégée dans une région de fente en silicium à l'échelle submicrométrique intégrée dans un matériau électro-optique organique », ont écrit les auteurs. « Par conséquent, une modulation très efficace est obtenue, permettant la transmission de données à 50 Mbps et 1,6 Gbps avec des tensions de commande de seulement 0,2 V et 1 V, respectivement. Ces modulateurs de métasurface peuvent désormais fonctionner à des niveaux de tension compatibles CMOS, permettant des applications pratiques à grande vitesse et économes en énergie des métasurfaces actives. «
À l’avenir, les travaux récents de Soma, Ariu et de leurs collaborateurs pourraient contribuer au progrès de diverses technologies, permettant par exemple le développement de nouveaux systèmes de communication et de détection à haut débit. D’autres équipes de recherche pourraient s’inspirer de cette étude et explorer des stratégies similaires de nano-ingénierie pour améliorer l’efficacité énergétique des modulateurs optiques.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
