Les chercheurs ont démontré une nouvelle technique qui peut stocker plus de données optiques dans un espace plus petit que ce qui était auparavant possible sur puce. Cette technique améliore la cellule mémoire optique à changement de phase, qui utilise la lumière pour écrire et lire des données, et pourrait offrir un plus rapide, forme de mémoire plus économe en énergie pour les ordinateurs.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, chercheurs des universités d'Oxford, Exeter et Münster décrivent leur nouvelle technique de stockage de données tout optique, ce qui pourrait aider à répondre au besoin croissant de plus de stockage de données informatiques.

Plutôt que d'utiliser des signaux électriques pour stocker des données dans l'un des deux états (un zéro ou un) comme les ordinateurs d'aujourd'hui, la cellule de mémoire optique utilise la lumière pour stocker des informations. Les chercheurs ont démontré une mémoire optique avec plus de 32 états, ou niveaux, l'équivalent de 5 bits. C'est une étape importante vers un ordinateur tout optique, un objectif à long terme de nombreux groupes de recherche dans ce domaine.

« Les fibres optiques apportent des données codées en lumière dans nos maisons et nos bureaux, mais cette information est transformée en signaux électroniques une fois à l'intérieur des ordinateurs, ", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Harish Bhaskaran d'Oxford. "En apportant la vitesse de transmission de données basée sur la lumière aux cartes de circuits imprimés qui font fonctionner les ordinateurs, notre mémoire tout optique pourrait permettre une puce informatique hybride qui interagit avec les données à la fois optiquement et électriquement. »

La nouvelle œuvre fait partie d'un grand projet appelé Fun-COMP, pour la technologie informatique à l'échelle fonctionnelle, qui rassemble des partenaires académiques et industriels pour développer des technologies matérielles révolutionnaires.

Écrire des données avec la lumière

La cellule de mémoire optique utilise la lumière pour coder des informations dans un matériau à changement de phase, une classe de matériaux utilisés pour créer des CD et des DVD réinscriptibles. Un laser chauffe des parties d'un matériau à changement de phase, ce qui le fait basculer entre des états où tous les atomes sont ordonnés ou désordonnés. Parce que ces deux états présentent des indices optiques de réfraction différents, les données peuvent être lues à l'aide de la lumière.

Les matériaux à changement de phase peuvent stocker des données pendant une longue période car ils restent dans l'état désordonné ou ordonné jusqu'à ce qu'ils soient à nouveau éclairés avec le type spécifique de lumière laser utilisé à l'origine pour écrire les données. Le mélange de différents rapports d'états ordonnés et désordonnés dans une zone du matériau permet aux informations d'être stockées dans un continuum de niveaux au lieu de simplement un zéro et un comme dans la mémoire électronique traditionnelle.

"Bien que notre équipe ait déjà utilisé cette approche de la mémoire optique, nous avons maintenant pu repousser les limites de résolution de cette cellule mémoire en stockant un plus grand nombre d'états intermédiaires entre zéro et un, " dit Nathan Youngblood, un membre de l'équipe de recherche. "Cela nous a permis de stocker des informations sur 34 niveaux, alors que seulement 10 pouvaient être atteints auparavant."

Les chercheurs ont atteint la résolution accrue en utilisant une nouvelle technique qu'ils ont développée qui utilise la lumière laser avec un seul, impulsion à double pas - deux impulsions réunies en une impulsion de forme rectangulaire - pour contrôler avec précision la fusion et la cristallisation du matériau.

"Au lieu de chauffer le matériau avec une seule impulsion laser, nous façonnons l'impulsion d'une manière qui nous permet de contrôler la température du matériau au fil du temps, " dit Xuan Li, le premier auteur de l'article. "Cela permet d'ajuster la façon dont ce matériau interagit avec la lumière et l'état qu'il atteindra après le chauffage. Cela accélère également considérablement le processus d'écriture car nous pouvons changer l'état du matériau avec une seule impulsion laser au lieu des centaines ou des milliers d'impulsions requis auparavant."

Stockage de mémoire à plusieurs niveaux

Dans le journal, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser leur approche pour coder de manière fiable des données sur 34 niveaux, ce qui est plus que les 32 niveaux nécessaires pour réaliser une programmation 5 bits. "Cette réalisation a nécessité de comprendre parfaitement l'interaction entre la lumière et le matériau, puis d'envoyer exactement le bon type d'impulsion laser nécessaire pour atteindre chaque niveau, " a déclaré Bhaskaran. "Nous avons résolu un problème extraordinairement difficile."

La nouvelle technique pourrait aider à surmonter l'un des goulots d'étranglement limitant la vitesse des ordinateurs d'aujourd'hui :le lien entre le processeur et la mémoire. « Beaucoup de travail a été fait pour améliorer la communication entre ces deux unités en utilisant la fibre optique, " dit Bhaskaran. " Cependant, la liaison optique de ces deux unités nécessite encore des conversions électro-optiques coûteuses aux deux extrémités. Notre cellule mémoire pourrait être utilisée dans une configuration hybride optique-électrique pour éliminer le besoin de cette conversion du côté mémoire en permettant le stockage et la récupération optique des données. »

Ensuite, les chercheurs souhaitent intégrer plusieurs cellules mémoire et les programmer individuellement, ce qui serait nécessaire pour fabriquer une puce de mémoire de travail pour un ordinateur. Les groupes de recherche ont travaillé en étroite collaboration avec Oxford University Innovation, la branche Innovation de l'Université, développer les opportunités commerciales découlant de leurs recherches sur les cellules mémoires photoniques. Les chercheurs disent qu'ils peuvent déjà très bien reproduire les dispositifs, mais qu'ils devront développer des techniques de traitement du signal lumineux pour intégrer plusieurs cellules de mémoire optique.