Les technologies de l'information continuent de progresser à un rythme rapide. Cependant, les demandes croissantes des datacenters ont poussé les systèmes d'entrées-sorties électriques à leurs limites physiques, qui a créé un goulot d'étranglement. Le maintien de cette croissance nécessitera un changement dans la façon dont nous construisons des ordinateurs. L'avenir est optique.

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la photonique a apporté une solution au problème de bande passante puce à puce dans le monde électronique en augmentant la distance de liaison entre les serveurs avec une bande passante plus élevée, beaucoup moins d'énergie, et une latence inférieure par rapport aux interconnexions électriques.

Un élément de cette révolution, photonique au silicium, a été avancé il y a quinze ans lorsque UC Santa Barbara et Intel ont fait la démonstration de la technologie laser au silicium. Cela a depuis déclenché une explosion de ce domaine. Intel fournit désormais des millions d'émetteurs-récepteurs photoniques au silicium pour les centres de données du monde entier.

Maintenant, une collaboration entre UC Santa Barbara, Caltech, et l'EPFL ont fait une autre découverte révolutionnaire dans le domaine. Le groupe a réussi à simplifier et à condenser un système optique complexe sur une seule puce photonique en silicium. La réalisation, Publié dans La nature , réduit considérablement le coût de production et permet une intégration facile avec traditionnel, fabrication de puces de silicium.

« Tout l'Internet est désormais piloté par la photonique, " dit John Bowers, qui détient la chaire Fred Kavli en nanotechnologie à l'UC Santa Barbara et dirige l'Institut pour l'efficacité énergétique du campus et a dirigé l'effort de recherche collaborative.

Malgré le grand succès de la photonique dans l'épine dorsale d'Internet, il y a encore des défis. L'explosion du trafic de données signifie également des exigences croissantes pour les débits de données que la puce photonique au silicium peut gérer. Jusque là, Le moyen le plus efficace de répondre à cette demande est d'utiliser des lumières laser multicolores pour transmettre des informations :plus il y a de couleurs laser, plus d'informations peuvent être transportées.

Mais cela pose un problème pour les lasers intégrés, qui ne peut générer qu'une seule couleur de lumière laser à la fois. "Vous pourriez littéralement avoir besoin de cinquante lasers ou plus dans cette puce à cette fin, " dit Bowers. Et l'utilisation de cinquante lasers est coûteuse et inefficace en termes de puissance. De plus, le bruit et la chaleur peuvent faire fluctuer la fréquence de la lumière produite par chaque laser. Finalement, avec plusieurs lasers, les fréquences peuvent même dériver les unes dans les autres, un peu comme le faisaient les premières stations de radio.

Une solution peut être trouvée dans la technologie des "peignes de fréquence optique", qui sont des collections de fréquences de lumière laser également espacées. Le tracé des fréquences révèle des pointes et des creux qui ressemblent à un peigne à cheveux, d'où son nom.

Les peignes générateurs nécessitaient un matériel encombrant et coûteux, mais cela peut maintenant être géré en utilisant les peignes de fréquence à solitons à base de microrésonateurs récemment apparus, qui sont des sources de peigne de fréquence miniaturisées construites sur des puces photoniques CMOS. En utilisant cette approche "photonique intégrée", l'équipe collaboratrice a développé le plus petit générateur de peignes au monde, qui résout essentiellement tous ces problèmes.

Le système est assez simple, composé d'un laser à rétroaction disponible dans le commerce et d'une puce photonique au nitrure de silicium. "Ce que nous avons, c'est une source qui génère toutes ces couleurs à partir d'un laser et d'une puce, " dit Bowers. " C'est ce qui est important à ce sujet. "

La structure simple signifie petite échelle, moins de pouvoir, et à moindre coût. L'ensemble de l'installation tient désormais dans un boîtier plus petit qu'une boîte d'allumettes dont le prix global et la consommation électrique sont inférieurs à ceux des systèmes précédents.

La nouvelle technologie est également beaucoup plus pratique à utiliser. Précédemment, générer un peigne stable avait été une entreprise délicate. Les chercheurs devraient ajuster la fréquence et la puissance juste pour produire un peigne à solitons cohérent, et même alors, le processus n'était pas garanti pour générer un peigne à chaque fois. "La nouvelle approche rend le processus aussi simple que d'allumer une lumière ambiante, " dit Kerry Vahala, Professeur de Physique Appliquée et Sciences et Technologies de l'Information à Caltech, où le nouveau schéma de génération de solitons a été découvert.

"Ce qui est remarquable dans le résultat, c'est l'intégration photonique complète et la reproductibilité avec laquelle les peignes de fréquence peuvent être générés à la demande, " ajoute Tobias J. Kippenberg, Professeur de physique à l'EPFL qui dirige le Laboratoire de photonique et mesure quantique (LPQM), et dont le laboratoire a observé pour la première fois des micropeignes il y a plus de dix ans.

L'équipe de l'EPFL a fourni les puces photoniques en nitrure de silicium à ultrafaibles pertes, qui ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL et servent de composant clé pour la génération de peignes à solitons. La technologie photonique au nitrure de silicium à faibles pertes a été commercialisée via la startup du laboratoire LIGENTEC.

La « magie » de toutes ces améliorations réside dans un phénomène physique intéressant :lorsque le laser de pompe et le résonateur sont intégrés, leur interaction forme un système fortement couplé qui se verrouille par auto-injection et génère simultanément des « solitons », des impulsions qui circulent indéfiniment à l'intérieur du résonateur et donnent naissance à des peignes de fréquence optique.

La nouvelle technologie devrait avoir un impact considérable sur la photonique. En plus de répondre aux exigences des sources lumineuses multicolores dans les produits liés à la communication, cela ouvre également beaucoup de nouvelles opportunités dans de nombreuses applications. Un exemple est les horloges optiques, qui fournissent l'étalon de temps le plus précis au monde et sont utilisés dans un certain nombre d'applications, de la navigation à la mesure des constantes physiques.

"Les horloges optiques étaient grandes, lourd, et cher, " dit Bowers. "Il n'y en a que quelques-uns dans le monde. Avec photonique intégrée, nous pouvons faire quelque chose qui pourrait tenir dans une montre-bracelet, et tu pouvais te le permettre."

« Les micropeignes optiques intégrées à faible bruit permettront une nouvelle génération d'horloges optiques, communications et capteurs, " dit Gordon Keeler, le chef de projet à la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). "On devrait voir plus compact, récepteurs GPS plus sensibles issus de cette approche."

En tout, l'avenir s'annonce radieux pour la photonique. "C'est l'étape clé pour transférer la technologie des peignes de fréquence du laboratoire au monde réel, " dit Bowers. " Cela va changer la photonique et notre vie quotidienne. "