Dix ans dans le futur. C'est à peu près jusqu'où le professeur d'ingénierie électrique et informatique de l'UC Santa Barbara, John Bowers et son équipe de recherche, vont avec le développement récent de leurs lasers à points quantiques à verrouillage de mode sur silicium. C'est une technologie qui non seulement peut augmenter massivement la capacité de transmission de données des centres de données, les entreprises de télécommunications et les produits matériels réseaux à venir, mais faites-le avec une grande stabilité, faible bruit et l'efficacité énergétique de la photonique au silicium.

"Le niveau du trafic de données dans le monde augmente très, très vite, " dit Bowers, co-auteur d'un article sur la nouvelle technologie dans la revue Optique . En général, il expliqua, la capacité de transmission et de données d'une infrastructure de télécommunications de pointe doit doubler environ tous les deux ans pour maintenir des niveaux de performance élevés. Cela signifie que même maintenant, les entreprises technologiques telles qu'Intel et Cisco doivent viser le matériel de 2024 et au-delà pour rester compétitives.

Entrez dans le grand nombre de canaux du groupe Bowers, 20 gigahertz, laser à points quantiques à verrouillage de mode passif, directement cultivé - pour la première fois, à la connaissance du groupe - sur un substrat de silicium. Avec une capacité de transmission éprouvée de 4,1 térabits par seconde, il fait un bond d'une dizaine d'années par rapport à la meilleure norme commerciale actuelle pour la transmission de données, qui atteint actuellement 400 gigabits par seconde sur Ethernet.

La technologie est le dernier candidat haute performance dans une technique établie appelée multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), qui transmet de nombreux signaux parallèles sur une seule fibre optique en utilisant différentes longueurs d'onde (couleurs). Il a rendu possible le streaming et le transfert rapide de données sur lesquels nous comptons pour nos communications, divertissement et commerce.

La nouvelle technologie du groupe Bowers profite de plusieurs avancées dans les télécommunications, la photonique et les matériaux avec son laser à points quantiques, un minuscule source lumineuse de la taille d'un micron - qui peut émettre une large gamme de longueurs d'onde lumineuses sur lesquelles les données peuvent être transmises.

"Nous voulons des longueurs d'onde plus cohérentes générées dans une source lumineuse bon marché, " dit Songtao Liu, chercheur postdoctoral au Bowers Group et auteur principal de l'article. "Les points quantiques peuvent vous offrir un large spectre de gain, et c'est pourquoi nous pouvons réaliser beaucoup de canaux." Leur laser à points quantiques produit 64 canaux, espacés de 20 GHz, et peut être utilisé comme émetteur pour augmenter la capacité du système.

Le laser est passivement « verrouillé en mode » – une technique qui génère des « peignes » optiques cohérents avec un espacement des canaux fixe – pour empêcher le bruit de la compétition de longueur d'onde dans la cavité laser et stabiliser la transmission des données.

Cette technologie représente une avancée significative dans le domaine des circuits intégrés électroniques et photoniques au silicium, dans lequel l'objectif principal est de créer des composants qui utilisent la lumière (photons) et des guides d'ondes - sans précédent pour la capacité de données et la vitesse de transmission ainsi que l'efficacité énergétique - aux côtés et même à la place des électrons et des fils. Le silicium est un bon matériau pour la qualité de la lumière qu'il peut guider et préserver, et pour la facilité et le faible coût de sa fabrication à grande échelle. Cependant, ce n'est pas si bon pour générer de la lumière.

"Si vous voulez générer de la lumière efficacement, vous voulez un semi-conducteur à bande interdite directe, " dit Liu, se référant à la propriété structurelle électronique idéale pour les solides électroluminescents. "Le silicium est un semi-conducteur à bande interdite indirecte." Le laser à points quantiques du groupe Bowers, cultivée sur du silicium molécule par molécule dans les installations de nanofabrication de l'UC Santa Barbara, est une structure qui tire parti des propriétés électroniques de plusieurs matériaux semi-conducteurs pour les performances et la fonction (y compris leurs bandes interdites directes), en plus des avantages optiques et de fabrication bien connus du silicium.

Ce laser à points quantiques, et des composants similaires, devraient devenir la norme dans les télécommunications et l'informatique, alors que les entreprises technologiques cherchent des moyens d'améliorer leur capacité de données et leurs vitesses de transmission.

« Les centres de données achètent maintenant de grandes quantités d'émetteurs-récepteurs photoniques en silicium, " Bowers a souligné. " Et il est parti de rien il y a deux ans. "

Depuis que Bowers a présenté il y a dix ans le premier laser hybride au silicium au monde (un effort en collaboration avec Intel), le monde de la photonique sur silicium a continué à créer une efficacité plus élevée, une technologie plus performante tout en conservant un encombrement aussi réduit que possible, avec un œil sur la production de masse. Le laser à points quantiques sur silicium, Bowers et Liu disent, est une technologie de pointe qui offre les performances supérieures qui seront recherchées pour les futurs appareils.

"Nous tirons loin là-bas, " dit Bowers, titulaire de la Chaire Fred Kavli en nanotechnologie, "c'est ce que la recherche universitaire devrait faire."