Si les ordinateurs transmettaient des données en utilisant des photons au lieu d'électrons, ils fonctionneraient mieux et utiliseraient moins d'énergie. Des chercheurs européens étudient désormais un nouvel alliage luminescent de silicium et de germanium pour obtenir des puces photoniques, qui peut révolutionner l'informatique

Au cours des 50 dernières années, photons, les particules qui composent la lumière, ont remplacé les électrons pour le transfert de données dans les réseaux de communication. La bande passante élevée des signaux optiques a entraîné l'énorme croissance des systèmes téléphoniques, télédiffusion et Internet.

Cependant, les photons n'ont pas encore remplacé les électrons dans les ordinateurs. L'utilisation de la lumière pour transmettre des données dans les puces de processeur et leurs interconnexions permettrait une augmentation substantielle de la vitesse des ordinateurs (la vitesse de communication sur puce et puce à puce pourrait être multipliée par 1000) et en même temps, réduire la puissance nécessaire à leur fonctionnement.

Les puces de microprocesseur avancées peuvent contenir des dizaines de milliards de transistors, et leurs interconnexions électriques en cuivre produisent de grandes quantités de chaleur lorsqu'elles sont en fonctionnement. Contrairement aux photons, les électrons ont une masse et une charge électrique. Lors du passage à travers des métaux ou des matériaux semi-conducteurs, ils sont dispersés par les atomes de silicium et de métal, les faisant vibrer et produire de la chaleur. Par conséquent, la plus grande partie de l'énergie fournie à un microprocesseur est gaspillée.

Le défi d'émettre de la lumière à partir du silicium

Aujourd'hui, l'industrie électronique est prête à utiliser le silicium dans les puces informatiques en raison de ses propriétés électroniques avantageuses et de sa disponibilité. C'est un bon semi-conducteur, un élément abondant, et - en tant qu'oxyde de silicium - un constituant du verre et du sable.

Cependant, le silicium n'est pas très bon pour traiter la lumière en raison de sa structure cristalline. Par exemple, il ne peut pas générer de photons ni contrôler leur flux pour le traitement des données. Les chercheurs ont étudié des matériaux électroluminescents tels que l'arséniure de gallium et la phosphine d'indium, mais leur application dans les ordinateurs reste limitée car ils s'intègrent mal avec la technologie silicium actuelle.

Façonner les puces photoniques :vers une révolution dans l'industrie électronique

Récemment, Des chercheurs européens rapportés dans la revue La nature un alliage innovant de silicium et de germanium optiquement actif. C'est un premier pas, dit Jos Haverkort, un physicien de l'université de technologie d'Eindhoven aux Pays-Bas :« Nous avons montré que ce matériau est très adapté à l'émission de lumière, et qu'il est compatible avec le silicium."

La prochaine étape consiste à développer un laser compatible avec le silicium qui sera intégré dans les circuits électroniques en tant que source lumineuse des puces photoniques. C'est le but ultime du projet SiLAS, soutenu par le programme européen FET. L'équipe, dirigé par Erik Bakkers de l'Université d'Eindhoven, comprend également des chercheurs des universités d'Iéna et de Munich en Allemagne, Linz en Autriche, Oxford au Royaume-Uni et d'IBM en Suisse.

Pour créer le laser, les scientifiques ont combiné silicium et germanium dans une structure hexagonale capable d'émettre de la lumière, surmonter les inconvénients du silicium, dans lequel les atomes sont disposés en cubes. C'était un projet difficile. Une première tentative pour amener le silicium à adopter une structure hexagonale en déposant des atomes de silicium sur une couche de germanium hexagonal a échoué.

Le silicium refuse obstinément de changer sa structure cubique lorsqu'il est cultivé sur du germanium hexagonal planaire, explique Jonathan Finley de l'Université technique de Munich, qui a participé à la recherche en mesurant les propriétés optiques des échantillons de silicium créés. "Il faut convaincre la nature de permettre la croissance de cette forme inhabituelle de silicium germanium. Elle aime pousser cubique, c'est ce qu'il fait, " il dit.

Cependant, au cours des années, le groupe de recherche d'Eindhoven a développé une expertise dans la culture de nanotubes, et a estimé que ce qui ne fonctionne pas sur une surface plane de germanium pourrait fonctionner sur une surface incurvée d'un nanotube. Et cette fois, les choses se sont arrangées. "Ce que nous avons fait, c'est d'utiliser un nanofil d'arséniure de gallium, qui a une structure hexagonale. Nous avions donc une tige hexagonale, et nous avons créé une coque en silicone autour du noyau, qui avait également une structure hexagonale, " dit Haverkort.

En faisant varier la quantité de silicium et de germanium déposée sur les nanotubes, les chercheurs ont découvert que l'alliage hexagonal était capable d'émettre de la lumière lorsque la concentration de germanium était supérieure à 65 %.

La prochaine étape est une démonstration de laser, en d'autres termes, déterminer comment l'alliage silicium-germanium peut amplifier et émettre de la lumière comme un laser, et le mesurer.

Il y a plusieurs questions ouvertes à résoudre avant que le silicium-germanium puisse s'intégrer pleinement à l'électronique à base de silicium, remarque Haverkort :« Premièrement, ces dispositifs doivent être intégrés aux technologies existantes et cela reste un obstacle. » Il s'attend à ce que les futurs ordinateurs quantiques utilisent des applications telles que les LED à faible coût à base de silicium, lasers à fibre optique, capteurs de lumière, et des points quantiques électroluminescents.

En général, le passage de la communication électrique à la communication optique stimulera l'innovation dans de nombreux secteurs, des radars laser pour la conduite autonome aux capteurs pour le diagnostic médical ou la détection de la pollution de l'air en temps réel.