Allant à l’encontre des idées reçues, les scientifiques ont découvert un nouveau mécanisme de couplage impliquant des modes de fuite qui était auparavant considéré comme inadapté à l’intégration haute densité de circuits photoniques. Cette découverte étonnante ouvre la voie à l’intégration photonique haute densité, modifiant le potentiel et l’évolutivité des puces photoniques dans des domaines tels que l’informatique optique, les communications quantiques, la détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR), la métrologie optique et la détection biochimique.
Dans un numéro récent de la revue Light Science & Application, Sangsik Kim, professeur agrégé au Département de génie électrique de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST), et ses étudiants de la Texas Tech University ont démontré que les ondes anisotropes qui fuient peuvent atteindre une diaphonie nulle entre des guides d'ondes identiques étroitement espacés en utilisant des métamatériaux à réseau sub-longueur d'onde (SWG). Cette découverte contre-intuitive augmente considérablement la longueur de couplage des modes magnétiques transversaux (TM), qui constituent un défi en raison de leur faible confinement.
Cette recherche s'appuie sur leurs travaux antérieurs sur l'utilisation de métamatériaux SWG pour réduire la diaphonie optique, notamment le contrôle de la profondeur cutanée des ondes d'évaporation et le couplage spécial dans les modes d'ondes guidées anisotropes. Récemment, SWG a réalisé des progrès significatifs dans le domaine de la photonique, permettant de créer une variété de composants PIC hautes performances. Cependant, la densité d'intégration du mode TM reste confrontée à des défis, et sa diaphonie est environ 100 fois supérieure à celle du mode électrique latéral (TE), ce qui entrave l'intégration de puces haute densité.
"Notre groupe de recherche a exploré les SWG pour l'intégration photonique dense et a obtenu des améliorations significatives. Cependant, les méthodes précédentes se limitaient à la polarisation TE. Dans les puces photoniques, il existe une autre polarisation orthogonale TM, qui peut doubler la capacité de la puce et est parfois plus populaire que la TE, comme dans la détection de champ à gradient. " Kim a expliqué : "Le TM est plus difficile à intégrer de manière dense que le TE car son rapport d'aspect du guide d'onde est généralement plus faible et moins restrictif."
Initialement, l’équipe pensait qu’il serait impossible de réduire la diaphonie à l’aide des SWG, car elle s’attendait à ce que les modes à fuite améliorent le couplage entre les guides d’ondes. Cependant, ils se sont concentrés sur le potentiel de perturbations anisotropes avec les modes de fuite et ont supposé qu'une annulation croisée pouvait être obtenue.
En effectuant une analyse en mode couplé des propriétés modales des modes SWG à fuite, ils ont découvert des perturbations anisotropes uniques avec des modes de fuite similaires, permettant une diaphonie nulle entre des guides d'ondes SWG identiques et étroitement espacés. À l'aide de la simulation des limites de Floquet, ils ont conçu un guide d'ondes SWG réalisable sur la plate-forme silicium sur isolant (SOI) standard de l'industrie. Comparé aux guides d'ondes en bande, son effet de suppression de diaphonie est significatif et la longueur de couplage est augmentée de plus de deux ordres de grandeur.
Cette avancée réduit également considérablement les niveaux de bruit au sein des PIC, avec des implications potentielles pour les communications et l’informatique quantiques, la métrologie optique et la détection biochimique. Les chercheurs ont en outre souligné les vastes implications de leurs travaux, notant que ce nouveau mécanisme de couplage pourrait être étendu à d’autres plates-formes photoniques intégrées et à d’autres plages de longueurs d’onde, notamment le visible, l’infrarouge moyen et le térahertz, au-delà des bandes de télécommunications.
Cet étonnant mécanisme de couplage élargit le potentiel de l’intégration photonique dense, brise les idées reçues et fait progresser le domaine. À mesure que la recherche se poursuit, l’industrie photonique est susceptible d’évoluer vers des technologies de circuits intégrés plus denses, moins bruyantes et plus efficaces.