La Semiconductor Industry Association a estimé qu'aux taux d'augmentation actuels, les besoins énergétiques des ordinateurs dépasseront la puissance totale mondiale d'ici 2040.

L'utilisation de la lumière plutôt que de l'électricité pour déplacer les données réduirait considérablement la consommation d'énergie des puces informatiques, et les 20 dernières années ont vu des progrès remarquables dans le développement de la photonique sur silicium, ou des dispositifs optiques fabriqués à partir de silicium afin qu'ils puissent facilement être intégrés à l'électronique sur des puces de silicium.

Mais les dispositifs photoniques au silicium existants reposent sur des mécanismes physiques différents de ceux des composants optoélectroniques haut de gamme des réseaux de télécommunications. Les dispositifs télécoms exploitent des non-linéarités dites de second ordre, qui rendent le traitement du signal optique plus efficace et fiable.

Dans le dernier numéro de Photonique de la nature , Des chercheurs du MIT présentent un moyen pratique d'introduire des non-linéarités de second ordre dans la photonique sur silicium. Ils rapportent également des prototypes de deux dispositifs au silicium différents qui exploitent ces non-linéarités :un modulateur, qui encode les données sur un faisceau optique, et un doubleur de fréquence, un composant essentiel au développement de lasers qui peuvent être réglés avec précision sur une gamme de fréquences différentes.

En optique, un système linéaire est un système dont les sorties sont toujours aux mêmes fréquences que ses entrées. Donc un doubleur de fréquence, par exemple, est un dispositif intrinsèquement non linéaire.

"Nous avons maintenant la possibilité d'avoir une non-linéarité de second ordre dans le silicium, et c'est la première vraie démonstration de cela, " dit Michael Watts, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au MIT et auteur principal du nouveau document.

« Maintenant, vous pouvez construire un modulateur de phase qui ne dépend pas de l'effet de porteuse libre dans le silicium. L'avantage est que l'effet de porteuse libre dans le silicium a toujours un couplage de phase et d'amplitude. Ainsi, chaque fois que vous modifiez la concentration de la porteuse, vous changez à la fois la phase et l'amplitude de l'onde qui la traverse. Avec la non-linéarité du second ordre, tu brises cet accouplement, vous pouvez donc avoir un modulateur de phase pur. C'est important pour beaucoup d'applications. C'est certainement important dans le domaine des communications."

Le premier auteur du nouvel article est Erman Timurdogan, qui a terminé son doctorat au MIT l'année dernière et travaille maintenant pour la société de photonique sur silicium Analog Photonics. Lui et Watts sont rejoints par Matthew Byrd, un étudiant diplômé du MIT en génie électrique et informatique, et Christophe Poulton, qui a fait sa maîtrise dans le groupe de Watts et est aussi maintenant chez Analog Photonics.

Des solutions stupides

Si une onde électromagnétique peut être considérée comme un motif de gribouillis réguliers de haut en bas, un modulateur numérique perturbe ce modèle de manière fixe pour représenter des chaînes de zéros et de uns. Dans un modulateur au silicium, le chemin parcouru par l'onde lumineuse est défini par un guide d'onde, qui ressemble un peu à un rail qui longe le haut du modulateur.

Les modulateurs silicium existants sont dopés, ce qui signifie que des impuretés leur ont été ajoutées par le biais d'un processus standard utilisé dans la fabrication de transistors. Certains matériaux dopants donnent du silicium de type p, où le "p" est pour "positif, " et certains donnent du silicium de type n, où le "n" est pour "négatif". En présence d'un champ électrique, les porteurs libres, les électrons qui ne sont pas associés à des atomes de silicium particuliers, ont tendance à se concentrer dans le silicium de type n et à se dissiper dans le silicium de type p.

Un modulateur au silicium conventionnel est composé à moitié de silicium de type p et à moitié de silicium de type n; même le guide d'ondes est divisé en son milieu. De chaque côté du guide d'ondes se trouvent des électrodes, et la modification de la tension aux bornes du modulateur concentre et dissipe alternativement les porteurs libres dans le guide d'ondes, pour moduler un signal optique traversant.

Le dispositif des chercheurs du MIT est similaire, sauf que le centre du modulateur, y compris le guide d'ondes qui longe son sommet, n'est pas dopé. Lorsqu'une tension est appliquée, les porteurs gratuits ne s'accumulent pas au centre de l'appareil; au lieu, ils s'accumulent à la frontière entre le silicium de type n et le silicium non dopé. Une charge positive correspondante s'accumule à la frontière avec le silicium de type p, produire un champ électrique, c'est ce qui module le signal optique.

Parce que les porteurs libres au centre d'un modulateur au silicium conventionnel peuvent absorber des particules lumineuses - ou photons - voyageant à travers le guide d'ondes, ils diminuent la force du signal optique; les modulateurs qui exploitent les non-linéarités du second ordre ne rencontrent pas ce problème.

Prendre de la vitesse

En principe, ils peuvent également moduler un signal plus rapidement que ne le font les modulateurs au silicium existants. C'est parce qu'il faut plus de temps pour déplacer les porteurs libres dans et hors du guide d'ondes que pour les concentrer et les libérer aux frontières avec le silicium non dopé. Le présent article rapporte simplement le phénomène de modulation non linéaire, mais Timurdogan dit que l'équipe a depuis testé
prototypes d'un modulateur dont les vitesses sont compétitives avec celles des modulateurs non linéaires des réseaux télécoms.

Le doubleur de fréquence que les chercheurs ont démontré a une conception similaire, sauf que les régions de silicium dopé p et n qui flanquent la région centrale de silicium non dopé sont disposées en bandes régulièrement espacées, perpendiculaire au guide d'onde. Les distances entre les bandes sont calibrées à une longueur d'onde de lumière spécifique, et lorsqu'une tension est appliquée à leurs bornes, ils doublent la fréquence du signal optique traversant le guide d'onde, combiner des paires de photons en photons uniques avec deux fois plus d'énergie.

Les doubleurs de fréquence peuvent être utilisés pour construire des horloges optiques sur puce extrêmement précises, amplificateurs optiques, et sources de rayonnement térahertz, qui a des applications de sécurité prometteuses.

"Le silicium a connu une énorme renaissance dans l'espace de communication optique pour une variété d'applications, " dit Jason Orcutt, chercheur au département des sciences physiques du Thomas J. Watson Research Center d'IBM. "Toutefois, il reste encore des domaines d'application - de la photonique micro-ondes à l'optique quantique - où le manque d'effets non linéaires de second ordre dans le silicium a empêché le progrès. Il s'agit d'une étape importante vers la prise en compte d'un plus large éventail d'applications au sein des plates-formes photoniques sur silicium matures du monde entier. »

"À ce jour, les efforts pour obtenir des effets non linéaires de second ordre dans le silicium se sont concentrés sur des problèmes de science des matériaux durs, " Orcutt ajoute. " L'équipe [MIT] a été extrêmement intelligente en rappelant à la communauté des physiciens ce que nous n'aurions pas dû oublier. L'application d'un simple champ électrique crée le même vecteur de polarisation cristalline de base que d'autres chercheurs ont travaillé dur pour créer par des moyens beaucoup plus compliqués. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.