La commutation optique multicolore est un phénomène important présentant des applications potentielles dans des domaines tels que les télécommunications et l'informatique optique. Cependant, la plupart des matériaux présentent généralement une non-linéarité optique monochromatique sous un éclairage laser intense, ce qui limite leur utilisation dans les systèmes nécessitant des capacités de commutation multicolores ou multibandes. Actuellement, la plupart des commutateurs optiques sont basés sur des systèmes microélectromécaniques, qui requièrent une tension ou un courant électrique pour fonctionner, ce qui entraîne des temps de réponse lents.

Pour combler cette lacune, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Junjun Jia de l'École des sciences et de l'ingénierie de l'Université Waseda (Japon), en collaboration avec le professeur Hui Ye et le docteur Hossam A. Almossalami de l'École des sciences et de l'ingénierie optiques de l'Université du Zhejiang (Chine), le professeur Naoomi Yamada du Département de chimie appliquée de l'Université Chubu (Japon) et le docteur Takashi Yagi de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (NIAIT) au Japon, a étudié le phénomène de commutation optique multivallée dans les films de germanium (Ge). Leurs travaux ont porté sur la manière dont un rayonnement laser intense induit une commutation optique ultrarapide sur plusieurs longueurs d'onde dans le Ge, un semi-conducteur multivallée. Leur étude a démontré l'efficacité de la commutation optique multicolore à l'aide d'un laser pulsé monochromatique, permettant ainsi de surmonter les limitations des non-linéarités optiques monochromatiques traditionnelles. Leurs travaux de recherche ont été publiés dans Physical Review Applied le 24 février 2025.
En irradiant du germanium (Ge) avec un laser pulsé intense, l'équipe a obtenu une commutation ultrarapide entre transparence et opacité sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de transmission transitoire femtoseconde résolues en temps ont révélé une commutation optique ultrarapide dans les vallées Γ et L, due à la diffusion intra-vallée et inter-intervalle. « Nos résultats confirment que l'irradiation laser intense de films de Ge permet une commutation optique ultrarapide sur plusieurs longueurs d'onde, offrant la possibilité de contrôler la transparence d'un matériau et ouvrant de nouvelles perspectives pour des applications potentielles dans les communications optiques, l'informatique optique et au-delà », explique le professeur Jia.
Cette commutation optique multi-vallées s'avère fortement dépendante de la structure de bande du Ge. Les mesures expérimentales suggèrent que le signal transitoire est fortement dépendant de la région spécifique de la structure de bande impliquée. Par exemple, les spectres de transmission transitoire révèlent une énergie de séparation de 240 meV au point L de haute symétrie. « Le choix judicieux des énergies de sondage, fondé sur la diffusion de bande calculée avec la fonction HSE06 et les effets de couplage spin-orbite, nous a permis de saisir avec précision l’occupation électronique transitoire dans les vallées Γ et L », explique le professeur Jia. Ceci rend possible l’extraction des temps de diffusion entre et au sein des vallées dans les matériaux à vallées multiples à partir de mesures transitoires.

Globalement, cette étude met en lumière le potentiel considérable du germanium (Ge) comme matériau clé pour la commutation optique avancée, avec des applications prometteuses dans la transmission de données et le calcul haute vitesse. En permettant le contrôle de la transparence sur plusieurs longueurs d'onde grâce à un laser pulsé monochromatique, elle ouvre des perspectives passionnantes pour le développement de commutateurs optiques ultrarapides. « Cette découverte devrait répondre à la demande croissante de débits de données plus élevés et d'une sécurité renforcée face à l'augmentation du trafic internet, et représente une avancée significative dans le développement des dispositifs de commutation optique ultrarapide », conclut le professeur Jia.

de référence
 : Junjun Jia1, Hossam A. Almossalami2, Hui Ye2, Naoomi Yamada3, Takashi Yagi4
Titre de l’article original : Commutation optique multivallée dans le germanium

Revue : Physical Review Applied

DOI : 10.1103/PhysRevApplied.23.024060
Date de publication de l’article : 24 février 2025

Affiliations :
1 Centre mondial pour la science et l’ingénierie (GCSE), Faculté des sciences et de l’ingénierie, Université Waseda, Japon ;
2 Faculté des sciences et de l’ingénierie optiques, Université du Zhejiang, Chine ;
3 Département de chimie appliquée, Université Chubu, Japon ;
4 Institut national de métrologie du Japon (NMIJ), Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), Japon.

À propos du professeur Junjun Jia :
Junjun Jia est professeur à la Faculté des sciences et de l’ingénierie de l’Université Waseda, au Japon. Il a obtenu son doctorat à l’Université de Tokyo en 2011. Ses recherches portent sur la conception et la fabrication de matériaux solides fonctionnels, ainsi que sur le développement de dispositifs à semi-conducteurs, notamment les éléments de circuits thermiques à semi-conducteurs, les dispositifs à ondes acoustiques et les dispositifs électroniques déséquilibrés. Ses domaines d’intérêt comprennent l’optique non linéaire, la physique hors équilibre et la structure électronique/phononique excitée dans les matériaux solides. Le professeur Jia a publié de nombreux articles dans des revues à comité de lecture telles que Advanced Functional Materials, Physical Review B et Physical Review Applied. Il a reçu plusieurs prix, dont le prix Waseda d’enseignement en ligne en 2022. Il est membre de plusieurs comités, notamment celui de la Société japonaise de recherche sur les matériaux.